Adres do korespondencji
Assoc. Prof. Wojciech Ciesielski
Institute of Chemistry
Jan Dlugosz University in Czestochowa,
Armii Krajowej 13/15, 42-201 Czestochowa, Poland
E-mail: wc@ajd.czest.pl w.ciesielski@interia.pl
Kariera naukowa i akademicka
Uniwersytet Pedagogiczny w Częstochowie, Chemia Nieorganiczna, magister, 29 maja 1995
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Technologii Żywności, Kraków, chemia żywności, doktorat z chemii żywności, 27 maja 1998
Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Inżynierii Środowiska, habilitacja w dziedzinie inżynierii środowiska, chemia środowiska, 6 czerwca 2012
Profesor nadzwyczajny Uniwersytetu Jana Długosza w Częstochowie, czerwiec 2013
Projekty badawcze:
-
N N313 789240 – Kierownik – Nowe sposoby wykorzystania skrobi i zbóż w produkcji biopaliw, sorbentów i stabilizatorów gleby (2010–2012), finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
-
2011/01/B/ST5/06304 – Główny wykonawca – Nowe optycznie czynne ciekłe sole jonowe z elementami chiralności stereogenicznego heteroatomu lub atropizomerii zawierające hiperwalentny heteroatom (2012–2015), finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
-
2011/03/B/ST5/03233 – Główny wykonawca – Optycznie czynne nanorurki węglowe: syntezy i badania strukturalne pochodnych kowalencyjnych i supramolekularnych zawierających stereogeniczny heteroatom oraz ich zastosowanie w chemii „nowych materiałów” i syntezie asymetrycznej (2013–2016), finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
-
POIG.01.03.02-00-014/11 – Kierownik – Metody ochrony patentowej syntezy i aktywności biologicznej nowych soli onium, chiralnych i achiralnych systemów ciekłych soli jonowych, kompleksów węglowodanów z jonami metali przejściowych oraz funkcjonalizowanych nanorurek węglowych z podstawnikami stereogenicznymi (2011–2015), finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
-
2013/11/B/NZ9/01951 – Główny wykonawca – Możliwość kontroli procesu retrogradacji (2015–2017), finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
-
2014/15/B/ST8/00101 – Główny wykonawca – Zaawansowane materiały do systemów magazynowania wodoru na bazie nowych superlekkich stopów litu (2015–2017), finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
-
2015/19/N/ST8/03922 – Opiekun – Projekt Preludium – Materiały hybrydowe do systemów magazynowania wodoru na bazie nanorurek węglowych i nowych superlekkich stopów litu (2016–2018), finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
-
2017/25/B/ST8/02179 – Główny wykonawca – Nowe materiały elektrodowe REM2 i RE5M3 (gdzie RE = metale ziem rzadkich, M = Sn, Pb, Sb) o zwiększonej szybkości pracy i stabilności cyklicznej baterii litowo- i sodowo-jonowych (2017–2020), finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
-
2017/27/N/ST8/00662 – Opiekun – Projekt Preludium – Funkcjonalizowane nanorurki węglowe wielościenne przez sole fosforoselenoatowe jako komponenty ogniw litowo-jonowych (2018–2021), finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
Zainteresowania naukowe
Nowe sposoby wykorzystania skrobi i zbóż w procesach inżynierii środowiska (pochłaniacze jonów metali ciężkich, stabilizatory gleby, płyny wiertnicze, biopaliwa)
Celem badań jest wykorzystanie polisacharydów, ziaren zbóż oraz słomy z różnych gatunków botanicznych (jęczmień, owies, pszenica, pszenżyto, żyto) jako surowców do produkcji biopaliw poprzez degradację do gazu syntezowego i węgla. Przeprowadzono analizę termiczną DSC/TG oraz TGA/SDTA/QMS. Głównym celem było określenie optymalnych warunków procesu otrzymywania węgla i jakościowej analizy gazów. Obecność soli wpływa na przebieg termicznego rozkładu polisacharydów i słomy oraz końcowy wynik procesu. Dobierając odpowiednią sól metalu i rodzaj ziarna można kontrolować proces rozkładu termicznego, by maksymalizować wydajność węgla lub produktów gazowych. Drugim celem jest badanie potencjalnego zastosowania polisacharydów do krótkoterminowej stabilizacji gleby. Badania wskazują możliwość zastosowania w stabilizacji nasypów i nabrzeży rzek. Warstwa polisacharydowa jest na tyle cienka, że nie zaburza kiełkowania roślin, a jednocześnie jest biodegradowalna, pełniąc funkcję ochronną do czasu wzrostu roślin. Nie zanieczyszcza środowiska i nie wymaga usuwania, gdyż staje się naturalnym nawozem organicznym. Przeprowadzono również badania tworzenia agregatów glebowych za pomocą analizatora rozmiaru cząstek metodą laserową. Dla wybranych układów (polisacharydy, ziarna i jony metali) przeprowadzono badania sorpcyjnych właściwości, struktury i rozmiaru z wykorzystaniem przewodnościomierza inoLab cond level2 (Pol-Eko-apparatus), mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości (SEM), analizy chemicznej w mikropoziomach (EDS) oraz reometrii (Rheostress RS1). Najważniejszymi osiągnięciami o potencjalnym wpływie na dalsze badania są: (i) opracowanie skutecznej metody koordynacji jonów metali przez polisacharydy; (ii) wskazanie możliwości efektywnego wykorzystania ziarna, także z terenów skażonych, do produkcji biopaliw poprzez zgazowanie biomasy; (iii) zgromadzenie spójnych danych umożliwiających planowanie dalszych badań na skalę laboratoryjną i przemysłową w różnych dziedzinach. Badania pokazują możliwość uzyskania paliwa z ziaren zbóż, które nie zawiera zanieczyszczeń tlenkami siarki i azotu oraz posiada tzw. „zerową emisję CO₂”.
Właściwości katalityczne materiałów ceramicznych zawierających jony litu i metali przejściowych w procesie termicznego rozkładu układów botanicznych
Przeglądy literaturowe oparte na bazie SciFinder Scholar pokazują ponad 500 publikacji dotyczących „katalizowanego rozkładu biomasy” oraz „biopaliw”, z czego 150 dotyczy katalizowanego rozkładu biomasy. Badania nad nowymi katalizatorami są więc ważnym i aktualnym tematem. Łączą one nową metodologię syntezy materiałów ceramicznych z nowymi metodami otrzymywania gazu syntezowego wolnego od siarki i fosforu, który posłuży do produkcji odpowiednich frakcji paliw.
Właściwości materiałów, zwłaszcza absorpcja i kataliza, zależą w dużym stopniu od ich struktury. Stan i sposób powstawania związków oraz zakresy ich istnienia w temperaturze i stężeniu wyjaśniają diagramy fazowe. Badania w projekcie opierają się na podstawowych badaniach obejmujących: syntezę, określenie diagramów fazowych stopów, strukturę krystaliczną i elektronową oraz badania właściwości katalitycznych. Projekt skupia się na oryginalnych badaniach eksperymentalnych mających na celu otrzymanie ceramiki, połączenie jej z materiałami botanicznymi (ziarno i słoma zbóż, uprawy skrobiowe) oraz zbadanie wpływu tych ceramik na termiczny rozkład biomasy. Pełna analiza fizykochemiczna układów przeprowadzona za pomocą DSC/TG oraz TGA/SDTA/QMS pozwoli na wybór najlepszych warunków otrzymywania węgli i jakościową analizę gazów jako materiałów perspektywicznych do produkcji paliw drugiej generacji. Badania ceramiki wskażą potencjalne zmiany strukturalne w używanych systemach katalitycznych.
Głównym celem projektu jest rozwój nowej generacji materiałów ceramicznych domieszkowanych jonami litu oraz badanie tych tlenków w procesach katalitycznych. Realizacja projektu powiększy zasób wiedzy o materiałach ceramicznych z jonami litu, powstałych na bazie spiekania tlenków lub wodorotlenków metali oraz ich zastosowaniu jako katalizatorów w kontrolowanym otrzymywaniu gazu syntezowego z materiałów węglowych pochodzenia botanicznego.
Badane materiały ceramiczne są nowe, dotąd nieopisane w literaturze chemicznej, gdzie obecność jonów litu stwarza korzystne warunki do indukowania właściwości katalitycznych i pojawienia się użytecznych cech fizykochemicznych, przydatnych jako substraty w chemii „nowych materiałów” (w szczególności „katalizowanych”) oraz substancje kontrolujące proces pirolizy biomasy.
Nanorurki węglowe wielościenne, fulereny i grafen funkcjonalizowane anionami fosforowych kwasów selenowych i tiozłotowych jako potencjalne materiały elektrodowe do baterii litowo-jonowych
Celem projektu jest opracowanie nowej generacji elektrod do baterii przyjaznych środowisku. Cele szczegółowe to: 1. Synteza elektrody 1 (katody) na bazie tlenku litu oraz tlenków metali grup przejściowych. Analiza struktury krystalicznej związków metodami dyfrakcji rentgenowskiej, dyfrakcji promieniowania synchrotronowego i rozpraszania neutronów. 2. Synteza elektrody 2 (anody) oparta na funkcjonalizacji nanorurek węglowych, fulerenów i grafenu podstawnikami fosforoorganicznymi oraz ich analiza metodami fizykochemicznymi. Pełna analiza baterii (z elektrodami 1 i 2) obejmie badania elektrochemiczne (cykle ładowania i rozładowania, woltamperometrię, chronowoltamperometrię, pomiary impedancji) oraz testy toksyczności systemów dla środowiska naturalnego (aparat Microtox, hala wegetacyjna).
Realizacja projektu przyczyni się do powiększenia wiedzy o stopach domieszkowanych jonami litu powstałych na bazie spiekania tlenków i wodorotlenków metali oraz ich zastosowaniu jako materiałów elektrodowych. Badane materiały są nowe, nieopisane w literaturze chemicznej, w których obecność jonów litu stwarza korzystne warunki do indukcji nowych właściwości i pojawienia się użytecznych cech fizykochemicznych pochodnych stosowanych jako substraty w chemii „nowych materiałów” (szczególnie „elektrochemicznych”) oraz nowych substancji kontrolujących procesy elektrodowe. Proponowane procedury badawcze (synteza, skład fazowy, struktura krystaliczna i elektronowa, właściwości absorpcyjne i katalityczne) pozwolą na wytypowanie optymalnych konfiguracji stopów i struktur węglowych (soli) do praktycznego zastosowania. Realizacja projektu pozwoli na opracowanie nowych, łatwo dostępnych układów organicznych i nieorganicznych o wysokiej stabilności strukturalnej i chemicznej. Ten typ ogniw może być skutecznym i przyjaznym środowisku systemem reakcji elektrochemicznych, ponieważ takie systemy mogą być biodegradowalne. W konsekwencji doprowadzi to do eliminacji baterii opartych na chromie i kobalcie.
Organiczne pochodne disiarczków oraz sole litu organicznych tiooksoheterokwasów jako składniki analogów baterii litowo-siarkowych lub litowo-anionowych
Celem projektu jest opracowanie nowej generacji elektrod do baterii przyjaznych środowisku. Cele szczegółowe obejmują badania syntezy, określenie struktury, właściwości fizykochemicznych i eksperymenty dotyczące zastosowania jako komponenty analogów baterii litowo-siarkowych lub litowo-jonowych organicznych pochodnych disiarczków oraz soli litu organicznych tiooksoheterokwasów. Projekt rozwija i poszerza tematykę realizowaną w ramach trzech niedawno zakończonych grantów NCN. Wyniki części badań pozwoliły na eksperymenty dotyczące wykorzystania funkcjonalizowanych nanorurek węglowych wielościennych (MWCNT) przez podstawnikami pochodzącymi z organicznych kwasów fosforowych tiooksyowych jako materiałów do budowy elektrod baterii, wskazując jednocześnie na zastosowanie organicznych pochodnych disiarczków (zwłaszcza disiarczków fosforowych) jako elementów analogów baterii litowo-siarkowych. Z kolei zastosowanie soli fosforowych tiooksoheterokwasów jako składników elektrolitów baterii litowo-jonowych wynika z właściwości cieczy jonowych. Pełna analiza fizykochemiczna uzyskanych układów nanorurek przeprowadzona będzie metodami termicznymi DSC/TG, mikroskopią elektronową SEM z analizą EDS oraz spektroskopią NMR. Kompleksowa analiza elektrochemiczna obejmie cykle ładowania/rozładowania, woltamperometrię, chronowoltamperometrię, pomiary impedancji oraz testy toksyczności środowiskowej (aparat Microtox, hala wegetacyjna). Realizacja projektu zwiększy zasób wiedzy o nowych materiałach zawierających jony litu, nieopisanych dotąd w literaturze chemicznej, w których obecność jonów litu umożliwia indukcję nowych właściwości i pojawienie się użytecznych cech fizykochemicznych w chemii „nowych materiałów” (zwłaszcza „elektrochemicznych”) oraz w kontrolowaniu procesów elektrodowych.
Zaawansowane materiały do systemów magazynowania wodoru na bazie nowych superlekkich stopów litu
Magazynowanie wodoru w materiałach stałych ma potencjał stać się bezpiecznym i efektywnym sposobem przechowywania energii, zarówno w zastosowaniach stacjonarnych, jak i mobilnych. Główne wymagania nowoczesnych materiałów do magazynowania wodoru w motoryzacji to wysoka pojemność grawimetryczna (powyżej 6,0% masy wodoru), absorpcja/desorpcja wodoru w umiarkowanych temperaturach i ciśnieniach, niska cena oraz bezpieczeństwo ekologiczne. Konwencjonalne hydridy metali, takie jak LaNi5 i jego pochodne, stopy tytanu i cyrkonu powszechnie stosowane w systemach magazynowania mają pojemność poniżej 2% masy H2 i nie spełniają tych wymagań. Cztery główne grupy materiałów to: a) węgiel i materiały o dużej powierzchni właściwej (nanorurki, nanowłókna grafitowe, zeolity itp.), b) reaktywne chemiczne hydridy (NaH, LiH, MgH2, CaH2, LiAlH4 itp.), c) termiczne hydridy chemiczne (borazany amoniaku, hydridy glinu), d) hydridy odnawialne (stopy i międzymetale, materiały nanokrystaliczne, kompleksowe). Hydridy stopów metali ziem rzadkich (R) i przejściowych (T), takich jak RT5, RT3, RT2, RT, stopy cyrkonu i tytanu są dobrze zbadane. Wiele z nich dobrze działa w temperaturach poniżej 100°C, ale mają zbyt niską pojemność grawimetryczną (< 2,5% masy H2), technicznie nadają się do magazynowania stacjonarnego, ale są dość drogie. Materiały nanokrystaliczne i amorficzne mają dobrą kinetykę, lecz niekorzystne pojemności i temperatury desorpcji. Kompleksowe hydridy są największą nadzieją na przyszłość. Najlżejsze pierwiastki, takie jak Li, B, Na, Al tworzą stabilne i jonowe związki z wodorem. Zawartość wodoru dochodzi do 18% masy w LiBH4, jednak takie związki desorbują wodór w temperaturach 80–600°C. Duże perspektywy w rozwiązaniu tego problemu otwiera stosowanie wieloskładnikowych lekkich stopów.