Nauki chemiczne

1. Zjawiska pamięciowe w cienkich warstwach związków kompleksowych

Promotor: prof. dr hab. Konrad Szaciłowski

Promotor pomocniczy: dr Tomasz Mazur

Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii

Streszczenie: Memrystory są unikatowymi elementami elektronicznymi, które są elementami biernymi (mogą rozpraszać energię i nie są źródłami prądu) i posiadają pamięć stanu. Cechy te sprawiają, że memrystory są rozważane jako główne elementy budujące komputery przyszłości. Do tej pory memrystory są wytwarzane głównie z materiałów ceramicznych (TiO2, HfO2, IGZO). Ich trwałość jest niewielka, a wytwarzanie wymaga zaawanowanych i kosztownych technologii. Alternatywą mogą być proste związki kompleksowe metali grup głównych (a także niektórych metali przejściowych, np. żelaza, niklu i miedzi). W tego zagadnienia badawczego prowadzone będzie projektowanie (uzupełnione modelowaniem kwantowo-chemicznym) nowych związków kompleksowych o potencjalnym zastosowaniu w układach pamięciowych, synteza tych kompleksów oraz wytwarzanie i badanie memrystorów cienkowarstwowych.

Zaplecze badawcze: Laboratoria Akademickiego Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH są wyposażone w aparaturę niezbędną do realizacji wspomnianych zagadnień badawczych.

Liczba miejsc: 2

 

2. Elektrochemiczna synteza kompozytu Cu-Cu2O oraz jego właściwości fotoelektrokatalityczne w procesie redukcji CO2 do węglowodorów

Promotor: prof. dr hab. Konrad Szaciłowski

Promotor pomocniczy: dr inż. Krzysztof Mech

Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii

Streszczenie: Na przestrzeni ostatnich lat znacznie wzrosła ilość artykułów poświęconych zagadnieniom związanym z ograniczeniem emisji lub też neutralizacji obecnych w atmosferze gazów cieplarnianych. Globalne ocieplenie negatywnie wpływa na funkcjonowanie ekosystemu oraz z uwagi na topnienie lodowców oraz wzrost objętości wody spowodowany wzrostem temperatury jest przyczyną podnoszenia się poziomu wody w morzach i oceanach. Ilość negatywnych czynników wynikających ze wzrostu globalnego ocieplenia stwarza potrzebę prowadzenia zintensyfikowanych badań zmierzających do rozwoju technologii ograniczających emisję lub umożliwiających neutralizację gazów cieplarnianych poprzez ich konwersję do związków chemicznych znajdujących zastosowanie w przemysłowych procesach syntezy innych związków chemicznych czy też materiałów funkcjonalnych. Poza ograniczeniem udziału ditlenku węgla w atmosferze niezwykle ważnym aspektem jest możliwość jego konwersji do związków chemicznych będących jednocześnie nośnikami energii. Umożliwia to wykorzystanie procesów konwersji w układach przeznaczonych do magazynowania energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych.

Proponowana tematyka badawcza poświęcona jest fotoelektrochemicznej konwersji jednego z głównych gazów cieplarnianych, CO2 do węglowodorów. Celem prac przewidzianych do realizacji jest elektrochemiczna synteza kompozytowych materiałów będących połączeniem matrycy Cu - jedynego metalu na powierzchni którego proces redukcji CO2 do etylenu przebiega w sposób selektywny [1] oraz Cu2O. Otrzymane materiały zostaną scharakteryzowane oraz zoptymalizowane pod kątem ich zastosowania w procesie selektywnej fotoelektroredukcji CO2 do węglowodorów.

[1] Y. Kwon, Y. Lum, E.L. Clark, J.W. Ager, A.T. Bell, ChemElectroChem, 3 (2016) 1012-1019.

Zaplecze badawcze: Na wyposażeniu laboratoriów ACMiN znajduje się cała aparatura niezbędna do przeprowadzenia badań oraz analiz będących przedmiotem proponowanych do realizacji badań włącznie z chromatografem gazowym Shimadzu QP-2020 ze spektrometrem masowym oraz detektorem TCD. Urządzenia umożliwiające badania właściwości spektroskopowych syntezowanych materiałów, znajdujące się w laboratoriach ACMiN to: spektrofotometr UV-Vis-NIR Perkin Elmer Lambda 850 ze sferą całkującą, spektrofotometr UV-Vis typu diode-array Agilent 8453 oraz spektrometr FTIR Bruker Equinox 55 (FIR, IR, NIR). Do badań elektrochemicznych wykorzystane zostaną w zależności od potrzeb: potencjostaty Autolab PGSTAT 302N, dwukanałowy BioLogic SP-300 z modułem EIS, Biologic SP-150, Zahner (z ławą optyczną, modułem EIS oraz modułem niskoprądowym), spektrometr fotoelektryczny (Instytut Fotonowy), system pomiarowy Keithley 4200-SCS z przystawką zmiennoprądową i impulsową, mikrosondami i mikroskopem, oświetlacz diodowy z matrycami LED dużej mocy, sonda Kelvina z układem do pomiaru fotonapięcia (Kelvin Probes, UK oraz Besocke Delta Phi/Instytut Fotonowy). Ponadto w laboratoriach ACMIN znajdują się mikroskopów elektronowych (FEI TECNAI TF20 X-TWIN oraz FEI QUANTA 3D 200i), spektrometr XPS (Versa Probe II, PHI Electronics), a także dyfraktometry i spektrofluorymetry rentgenowskie. ACMiN posiada również bogato wyposażone laboratoria preparatyki próbek (mikroskopy metalograficzne, polerki, przecinarki, system trawienia plazmowego oraz warsztat mechaniczny.

Liczba miejsc: 1

 

3. Wpływu składu chemicznego, lokalnego nieporządku oraz charakteru wiązań chemicznych na ruchliwość jonów miedzi i właściwości transportowe materiałów termoelektrycznych o strukturze tetraedrytu.

Promotor: dr hab. inż. Andrzej Koleżyński, prof. AGH

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Streszczenie: Celem zagadnienia badawczego są kompleksowe badania teoretyczne wykorzystujące zaawansowane metody obliczeniowe fizykochemii ciała stałego, dotyczące wpływu składu chemicznego oraz właściwości strukturalnych (lokalny nieporządek i wiązania chemiczne) na ruchliwość jonów miedzi i wydajność termoelektryczną związków miedzi o strukturze tetraedrytu. Wysoka ruchliwość jonów miedzi w tych materiałach powoduje pogorszenie ich właściwości termoelektrycznych na skutek elektromigracji (prowadzącej do rozkładu materiału) i zwiększenia przewodności cieplnej. Zrozumienie związków między składem chemicznym, strukturą i właściwościami wiązań chemicznych, a ruchliwością miedzi i wydajnością termoelektryczną tych materiałów, pozwoli na poprawę ich stabilności chemicznej i właściwości termoelektrycznych. Wykorzystanie zaawansowanych teoretycznych metod badawczych zapewni dodatkowy wgląd w relacje między mobilnością jonów miedzi, a składem chemicznym i strukturą tetraedrytu, niemożliwych do zbadania metodami eksperymentalnymi i pozwoli na lepsze zrozumienie złożonego wpływu lokalnego nieporządku strukturalnego i właściwości wiązań chemicznych na przewodnictwo jonowe jonów miedzi i właściwości transportowe tetraedrytów, a w konsekwencji również kształtowanie właściwości strukturalnych i transportowych znanych obecnie materiałów oraz projektowanie nowych wysokowydajnych materiałów termoelektrycznych.

Zaplecze badawcze: Proponowany temat badawczy będzie zrealizowany w ramach projektu badawczego finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Wszystkie czasochłonne obliczenia teoretyczne, wymagające znacznych zasobów komputerowych, będą wykonywane na superkomputerze Prometheus, dostępnym w ramach infrastruktury PL-GRID, a pozostałe stosunkowo prostsze obliczenia będą wykonywane na serwerach dostępnych w Katedrze Chemii Krzemianowej i Związków Wielkocząsteczkowych na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Liczba miejsc: 1

 

4. Wykorzystanie spektrometrii mas do analizy substancji psychoaktywnych.

Promotor: dr hab. Marek Smoluch

Promotor pomocniczy: dr Anna Drabik

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Streszczenie: Nadużywanie substancji psychoaktywnych staje się prawdziwym problemem ze względu na poważne zagrożenia dla zdrowia i społeczeństwa wynikające z ich stosowania. Są one opracowywane i wprowadzane jako legalny zamiennik zakazanych substancji psychoaktywnych, takich jak opiaty, amfetaminy, kokaina, kanabinoidy lub LSD. Chociaż nowe, projektowane leki są następnie identyfikowane, charakteryzowane i wprowadzane na listy kontrolowanych i nielegalnych substancji, kolejne pochodne tych związków stale pojawiają się na rynku. Jednym z najbardziej kłopotliwych aspektów przyrostu popularności i dostępności dopalaczy jest potrzeba ciągłego rozwoju nowych technik i procedur analitycznych stosowanych przez agencje antynarkotykowe i laboratoria toksykologiczne. W ostatnich latach opublikowano wiele prac opisujących identyfikację i charakterystykę wybranych klas leków projektowanych, często wraz z kompletnymi procedurami analitycznymi dotyczącymi ich izolacji i determinacji. Jednak wiele dostępnych substancji psychoaktywnych nadal nie jest scharakteryzowanych dostępnymi technikami analitycznymi i tylko wybrane dane są dostępne w literaturze lub bazach danych. Wymóg opracowania szybkiej, uniwersalnej metody, umożliwiającej identyfikację i określenie szerokiego zakresu związków, jest jednym z najbardziej pilnych problemów współczesnej chemii analitycznej.

Zaplecze badawcze: Zaplecze – spektrometr masowy Bruker SL wraz z systemem chromatografii cieczowej, jonizacja – ESI lub FAPA. Możliwość realizacji badań potwierdzona licznymi publikacjami z Listy Filadelfijskiej z wybranego tematu.

Liczba miejsc: 1

 

5. Układy hybrydowe związków metali przejściowych dla zastosowań fotokatalitycznych.

Promotor: prof. dr hab. inż. Marta Radecka

Promotor pomocniczy: dr inż. Anna Kusior

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Streszczenie: Celem badań będzie otrzymanie nowej klasy hybrydowych materiałów półprzewodnikowych o rozwiniętej powierzchni właściwej i zwiększonych zdolnościach adsorpcyjnych dla ochrony środowiska. Kluczowym będzie zbadanie połączenia/interfejsu dwóch materiałów półprzewodnikowych oraz określenie jego wpływu na transfer nośników elektronowych. Analizowany będzie również wpływ warunków syntezy na podstawowe relacje pomiędzy uzyskanym układem hybrydowym a właściwościami powierzchniowymi i fotokatalitycznymi materiałów.

Zaplecze badawcze: Cała niezbędna do realizacji projektu aparatura znajduje się na wyposażeniu Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH. W tym dyfraktogram rentgenowski, skaningowy mikroskop elektronowy, czy też reaktor wysokociśnieniowy. Możliwe będzie wykorzystanie następujących technik badawczych: spektroskopia optyczna, spektroskopia Ramana, analizy TG/DTA oraz pomiar wielkości potencjału zeta. W celu określenia właściwości fotokatalitycznych zastosowany zostanie specjalnie do tego celu skonstruowany fotoreaktor, znajdujący się w Katedrze Chemii Nieorganicznej.

Liczba miejsc: 1

 

6. Zminiaturyzowane systemy czujników elektrochemicznych do zastosowań medycznych i środowiskowych.

Promotor: dr hab. inż. Beata Paczosa-Bator

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Streszczenie: Czujniki elektrochemiczne jako jedne z najprostszych urządzeń dostarczających informacji analitycznych zyskują coraz większą popularność. Ich niewątpliwą zaletą jest możliwość wykonywania oznaczeń bezpośrednio w pobranej próbce, wadą natomiast konieczność wykonywania kalibracji w oparciu o którą ustala się wynik analizy. Tematyka pracy związana jest z opracowaniem wieloelektrodowych systemów zminiaturyzowanych czujników o ograniczonej konieczności kalibracji a docelowo jej pozbawionej. W tym celu do konstrukcji czujników zostaną zastosowane nanomateriały metaliczne, węglowe oraz ceramiczne. Opracowane multi-czujniki przeznaczone będą do wykonywania oznaczeń podstawowych składników jonowych w próbkach medycznych i środowiskowych.

Zaplecze badawcze: Podstawowy sprzęt i aparatura niezbędna do realizacji pracy znajduje się na Wydziale IMiC. Do pomiarów elektrochemicznych stosowany będzie analizator elektrochemiczny Autolab PGSTAT 302N z modułem spektroskopii impedancyjnej FRA i elektrochemicznej mikrowagi kwarcowej EQCM, system do automatycznej kalibracji elektrod Dosino (Metrohm, Swiss), multi-metr do pomiaru potencjału czujników (Lawson, USA). Dodatkowo planowane jest zastosowanie metod obrazowania powierzchni SEM, TEM oraz AFM i badania składu EDS, IR oraz ASA. Praca będzie częściowo realizowana w ramach współpracy z przedsiębiorstwem 3D-nano specjalizującym się m.in. w opracowywaniu nowych nanomateriałów.

Liczba miejsc: 2

 

7. Wysokoczułe oznaczenia woltamperometryczne wybranych analitów stosowanych w leczeniu oraz zapobieganiu określonym schorzeniom.

Promotor: dr hab. inż. Robert Piech

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Streszczenie: Wiele metod analitycznych stosowanych do oznaczania różnych analitów często charakteryzuje się niedostateczną czułością, podatnością na liczne interferencje, wysokimi kosztami pojedynczego oznaczenia oraz długim czasem analizy. W proponowanym zagadnieniu badawczym planowane jest zastosowania tanich technik instrumentalnych - woltamperometrycznych, amperometrycznych, wstrzykowej analizy przepływowej do wysokoczułych oznaczeń określonych substancji. Badania obejmą: zastosowanie elektrod błonkowych o zminimalizowanym zużyciu rtęci, opracowanie nowych warstw elektroaktywnych jako receptorów do konstrukcji nowych czujników woltamperometrycznych i amperometrycznych na bazie nanocząstek węgla i polimerów wykazujących przewodnictwo protonowe oraz mieszane, opracowanie niezbędnej metodyki operacyjnej, opracowanie zasad kalibracji i walidacji, aplikacje praktyczne dla potrzeb kontroli przemysłowej, analityki farmaceutycznej, klinicznej i środowiskowej.

Zaplecze badawcze: Przyszły promotor dysponuje niezbędną aparaturą umożliwiającą wykonanie pomiarów woltamperometrycznych, amperometrycznych (dwa wielofunkcyjne analizatory elektrochemiczne M161 wraz ze statywami elektrodowymi M163 mtm, Anko), zestawem modułowym do wstrzykowej analizy przepływowej, odpowiednią ilością elektrod podłożowych (Mineral) oraz elektrod błonkowych.

Liczba miejsc: 1

 

8. Badanie wpływu stabilizacji ZrO2 za pomocą wapnia i magnezu na aktywność katalityczną układu ZrO2/M-SrTi1-xMxO3 (gdzie M = Co, Ni, Cu) w reakcji reformingu węglowodorów.

Promotor: dr hab. Ewa Drożdż

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Streszczenie: Badania będą dotyczyły możliwości zastosowania kompozytu o mieszanym przewodnictwie jonowo-elektronowym na bazie układu ZrO2/M-SrTiO3 w układach elektrochemicznych zasilanych CH4 bądź wyższymi węglowodorami. Podstawowym celem prac będzie otrzymanie optymalnego składu kompozytu z punktu widzenia właściwości elektrycznych (wysokie przewodnictwo mieszane) oraz katalitycznych (wysoka aktywność katalityczna w reakcji suchego reformingu oraz wysoka selektywność do H2). Oczekuje się, że wprowadzenie w strukturę tytanianu strontu niewielkich ilości atomów pierwiastka wykazującego aktywność katalityczną w wyżej wymienionych reakcjach, przy jednoczesnym domieszkowaniu ZrO2 wapniem lub magnezem, będzie na skutek efektu synergicznego skutkować znaczącym wzrostem wydajności reakcji reformingu przy zachowaniu wysokich wartości przewodnictwa elektronowo-jonowego materiału. W ramach prac przewiduje się syntezę odpowiednich materiałów w układzie ZrO2/M-SrTiO3 a następnie ich szczegółową charakterystykę pod kątem właściwości: strukturalnych (XRD, XPS) mikrostrukturalnych (SEM, porozymetria rtęciowa, pomiary powierzchni właściwej metodą BET), elektrycznych (EIS) oraz zdolności do brania udziału w reakcjach redox (TPR/TPOx) i finalnie - wykonanie testów katalitycznych. Prace będą prowadzone na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH, przewidywana jest również współpraca z Wydziałem Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Wydziałem Fizyki Technicznej I Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej.

Zaplecze badawcze: Zdecydowana większość aparatury niezbędnej do przeprowadzenia opisanych badań znajduje się na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH. Część badań będzie wykonywana w ramach współpracy z innymi ośrodkami naukowymi:

- badania XPS – na Wydziale Fizyki Technicznej I Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej

- testy katalityczne we współpracy z Wydziałem Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Liczba miejsc: 1

 

9. Warstwy tlenku glinu jako nośniki katalizatorów.

Promotor: prof. dr hab. inż. Maciej Sitarz

Drugi promotor: prof. dr hab. Joanna Łojewska

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Streszczenie: Jednym z głównym problemów związanych z opracowaniem reaktora strukturalnego na bazie pian metalowych do dopalania metanu jest otrzymanie trwałych i stabilnych w wysokich temperaturach warstw będących nośnikiem katalizatorów oraz metody nanoszenia katalizatora na wewnętrzne powierzchnie pian. W związku z tym ramach doktoratu w pierwszej kolejności opracowane zostaną warstwy na bazie tlenku glinu otrzymywane różnymi metodami: zol-żel i/lub elektroforetycznej depozycji (EPD). W następnej kolejności opracowane zostaną metody nanoszenia katalizatorów. W obu przypadkach przetestowane zostaną różne parametry otrzymywania zaplanowanych materiałów i zoptymalizowane pod kątem otrzymania najbardziej aktywnego materiału. Preparatyka skorelowana zostanie z badaniami mikrostruktury i struktury powierzchni oraz centrów aktywnych katalizatora i jego aktywności na podstawie wyników analiz spektroskopowych in situ i operando za pomocą cząsteczek sond powierzchni. Umożliwi to zoptymalizowanie składu katalizatora dla badanego procesu. Do optymalizacji użyty będzie zarówno klasyczny katalizator palladowy, jak i nieklasyczne rozwiązania oparte o spinel kobaltowy dotowany niewielką ilością palladu. Dla wybranych katalizatorów w oparciu o analizy in situ DRIFT produktów przejściowych reakcji zostanie zaproponowany mechanizm dopalania metanu i opracowana kinetyka dopalania metanu.

Zaplecze badawcze: Na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki istnieje Laboratorium Cienkich warstw i powłok wyposażone we wszystkie niezbędne urządzenia takie jak: mieszadła mechaniczne z regulowaną szybkością mieszania oraz grzania, suszarki itp. Na wyposażeniu tego laboratorium są również urządzenia specjalnie skonstruowane do naszych potrzeb tj. urządzenie do kontrolowanego zanurzania i wynurzania, oraz stanowisko do nanoszenia metodą EPD. Całe to wyposażenie jest konieczne do otrzymania planowanych warstw na podłożach metalicznych. Na Wydziale znajdują się również urządzania do badania: a) struktury materiałów – spektrometry MIR i Ramana oraz dyfraktometry XRD pozwalające prowadzić badania in situ w szerokim zakresie temperatur i w kontrolowanej atmosferze. b) analizy uziarnienia i porowatości, c) analizy powierzchni i składu chemicznego - mikroskopia SEM, TEM, AFM. Na Wydziale Chemii UJ (współpraca) w Pracowni Badań Katalizatorów, której kierownikiem jest Prof. J. Łojewska dostępne są stanowiska pozwalające prowadzić testy katalityczne - Catlab (Hiden). Przez pierwsze dwa lata doktorat finansowany będzie z grantu „Jeśli nie monolit ceramiczny to co? Opracowanie reaktora katalitycznego z wypełnieniem w postaci pian stałych do dopalania metanu” (Kierownik - Prof. M. Sitarz). Następnie planowane jest wystąpienie o grant Preludium.

Liczba miejsc: 1

 

10. Materiały geopolimerowe jako matryca do immobilizacji niebezpiecznych jonów.

Promotor: prof. dr hab. inż. Włodzimierz Mozgawa

Drugi promotor: dr hab inż. Magdalena Król

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Streszczenie: Celem zadania badawczego jest opracowanie metody syntezy nowego typu kompozytów geopolimerowych jako matrycy do usuwania popiołów dennych ze spalania odpadów zawierających jony metali ciężkich. Szczególny nacisk zostanie położony na określenie wpływu jonów metali ciężkich na strukturę otrzymanych kompozytów. Analizowane będą zarówno geopolimery glinokrzemianowe jak i boroaluminokrzemianowe - innowacyjne podejście do analizowanego problemu. Realizacja założonego celu obejmie wykorzystanie spektroskopii oscylacyjnej (zarówno FT-IR, jak i Ramana) do opisu struktury otrzymanych materiałów. Interpretacje widm eksperymentalnych skoreluje się z wynikami badań teoretycznych dotyczących modeli strukturalnych dla których przeprowadzone bedą obliczenia z wykorzystaniem metod mechaniki kwantowej. Główny cel projektu będzie realizowany w dwóch wątkach. Pierwszy będzie związany z badaniami strukturalnymi układów modelowych dpowiadających produktom hydratacji aktywowanym alkaliami glinokrzemiany, zarówno bez jak i zwierajacych jony metali ciężkich. Druga część pracy będzie związana z wątkiem aplikacyjnym, w którym rzeczywisty popiół denny ze spalania odpadów zostanie wykorzystany jako surowiec (w mieszaninie z popiołem lotnym) do spoiw aktywowanych alkaliczine.

Zaplecze badawcze: Proponowane zadanie będzie realizowane w ramach projektu NCN Opus 17 nr 2018/31/B/ST8/03109 „Struktura materiału geopolimerowego jako matryca do immobilizacji niebezpiecznych jonów”.

Liczba miejsc: 1