Estudi d'impedància electroquímica en recobriments orgànics per aplicacions anticorrosives

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Università degli studi di Trento, Italia, entre maig i agost del 2007. S’ha estudiat la influència de l’addicció de polímers conductors a una sèrie de pintures marines o revestiments de naturalesa orgànica amb la finalitat de millorar les seves propietats anticorrosives.

Estudio electroquímica de la reducción del CO2. Funcionalización de compuestos aromáticos

Se estudia el comportamiento electroquímico del CO2 en disolución y se establecen las condiciones experimentales óptimas para su determinación electroquímica, tanto de forma cualitativa como cuantitativa, y así determinar los parámetros cinéticos y termodinámicos asociados a su mecanismo de reducción. Finalmente, se aborda el uso de CO2 como reactivo para la obtención de productos orgánicos de mayor valor añadido en procesos iniciados electroquímicamente.

Estudi de les propietats com a dissolvents dels líquids iònics per a la seva utilització en electroquímica

S’ha caracteritzat un conjunt de catorze líquids iònics (ILs) (tres d’ells sòlid a temperatura ambient) per la seva conductivitat i rang de potencial útil. La seva utilització com a dissolvents en reaccions on la primera etapa és una transferència electrònica, depèn de la composició dels ILs. Així per estudiar oxidacions monoelectròniques, com per exemple el ferrocè, els ILs útils són : BMIMBF4, BMIMPF6, BMIMTFSI, EMIMOTf i EMIMTFSI. Mentre que per les reduccions monoelectròniques, com per exemple el p-nitrotoluè, els ILs més adequats són: EMIMTFSI i BMIMTFSI. L’ús dels ILs de tercera generació, està molt més restringit degut a la naturalesa de l’anió. Així doncs, la utilització dels ILs ha de ser dissenyada segons el procés a estudiar.

Incorporación electroquímica de CO2 a moléculas orgánicas

En el presente trabajo, se estudia en primer lugar el comportamiento electroquímico del CO2 mediante voltametría cíclica y electrólisis en disoluciones de dimetilformamida que contienen una concentración 0.1M de tetrabutilamonio tetrafluoroborato, utilizando Ag como electrodo de trabajo. El mecanismo de reducción electroquímico del CO2 incluye una primera transferencia monoelectrónica irreversible moderadamente rápida, seguida de una reacción química acoplada de segundo orden para dar principalmente carbonato y CO. La segunda parte del estudio consiste en investigar diferentes estrategias para incorporar CO2 a compuestos aromáticos substituidos con grupos electroatrayentes (nitro y ciano), con la finalidad de trabajar en condiciones suaves y aumentar los rendimientos de carboxilación. La incorporación de CO2 a este tipo de derivados permite la obtención de compuestos de alto valor añadido. Finalmente, se concluye que el factor determinante para la formación de productos carboxílicos es la carga eléctrica pasada y que la naturaleza del electrodo puede afectar tanto al tipo de productos obtenidos como a su distribución.

Marine biotoxins in the Catalan littoral: could biosensors be integrated into monitoring programmes?

Aquest article descriu els sensors enzimàtics i immunosensors electroquímics que s’han desenvolupat als nostres grups per a la detecció de la biotoxina marina àcid okadaic (OA), i discuteix la possibilitat d’integrar-los en programes de seguiment. Els sensors enzimàtics per a OA que es presenten es basen en la inhibició de la proteïna fosfatasa (PP2A) per aquesta toxina i la mesura electroquímica de l’activitat enzimàtica mitjançant l’ús de substrats enzimàtics apropiats, electroquímicament actius després de la seva desfosforació per l’enzim. Els immunosensors electroquímics descrits en aquest article es basen en un enzimoimmunoassaig sobre fase sòlida competitiu indirecte (ciELISA), amb fosfatasa alcalina (ALP) o peroxidasa (HRP) com a marcatges, i un sistema de reciclatge enzimàtic amb diaforasa (DI). Els biosensors presentats aquí s’han aplicat a l’anàlisi de dinoflagel·lats, musclos i ostres. Les validacions preliminars amb assaigs colorimètrics i LC-MS/MS han demostrat la possibilitat d’utilitzar les bioeines desenvolupades per al cribratge preliminar de biotoxines marines en mostres de camp o de cultiu, que ofereixen informació complementària a la cromatografia. En conclusió, tot i que encara cal optimitzar alguns paràmetres experimentals, la integració dels biosensors a programes de seguiment és viable i podria proporcionar avantatges respecte a altres tècniques analítiques pel que fa al temps d’anàlisi, la simplicitat, la selectivitat, la sensibilitat, el fet de poder ser d’un sol ús i l’efectivitat de cost. This article describes the electrochemical enzyme sensors and immunosensors that have been developed by our groups for the detection of marine biotoxin okadaic acid (OA), and discusses the possibility of integrating them into monitoring programmes. The enzyme sensors for OA reported herein are based on the inhibition of immobilised protein phosphatase 2A (PP2A) by this toxin and the electrochemical measurement of the enzyme activity through the use of appropriate enzyme substrates, which are electrochemically active after dephosphorylation by the enzyme. The electrochemical immunosensors described in this article are based on a competitive indirect Enzyme- Linked ImmunoSorbent Assay (ciELISA), using alkaline phosphatase (ALP) or horseradish peroxidase (HRP) as labels, and an enzymatic recycling system with diaphorase (DI). The biosensors presented herein have been applied to the analysis of dinoflagellates, mussels and oysters. Preliminary validations with colorimetric assays and LC-MS/MS have demonstrated the possibility of using the developed biotools for the preliminary screening of marine biotoxins in field or cultured samples, offering complementary information to chromatography. In conclusion, although optimisation of some experimental parameters is still required, the integration of biosensors into monitoring programmes is viable and may provide advantages over other analytical techniques in terms of analysis time, simplicity, selectivity, sensitivity, disposability of electrodes and cost effectiveness.

Preparació de puntes de tungstè per a microscòpia d'efecte túnel (STM)

Es presenten els resultats experimentals obtinguts durant l’estudi sistemàtic realitzat de la preparació electroquímica de puntes de tungstè per al Microscopi d’Efecte Túnel (STM), fent servir dos electròlits: KOH i NaOH. L’estudi sobre la morfologia, longitud de la punta i radi de curvatura de la punta en funció del voltatge aplicat i les concentracions de l’electròlit es descriu al capítol 3. La caracterització de les puntes es va dur a terme, per una part, mitjançant un microscòpic electrònic de rastreig (SEM) i per l’altre banda, amb el ús de les puntes obtingudes al STM. En resumen, els resultats mostren que ambdós electròlits permeten obtenir puntes que es poden fer servir amb èxit per l’obtenció d’imatges amb l’STM. Les millors puntes són aquelles que s’obtenen dins de rangs de concentracions d’electròlit baixes, entre valor de 10 a 15% en pes pel NaOH i entre 10 i 20% pel KOH i rangs de voltatge entre 3 a 7 V pel NaOH i 4 a 8 V pel KOH. S’observa que es requereixen temps d’atac electroquímic menors fent servir com a electròlit NaOH. S’estudia, en el capítol 4, el tractament que requereix la punta per tal d’eliminar les impureses de la seva superfície. Es realitzen diferents proves amb tres mètodes de neteja: (1) tractament químic, (2) bombardeig iònic i (3) tractament tèrmic de recuit. En el capítol 5 del projecte s’analitzen les imatges d’una mostra d’or, Au(110), d’estructura coneguda, amb el microscopi d’efecte túnel STM) del laboratori fent servir les puntes obtingudes sota les condicions considerades òptimes. El resultat confirma el bon comportament de les puntes obtingudes sota les condicions descrites en els capítols anteriors i establert una pauta a seguir per obtenir puntes d’una manera senzilla i reproduïble.

Aptasensores impedimétricos para la detección de trombina

En el presente trabajo se ha desarrollado el primer aptasensor (biosensor de aptámero) en nuestro grupo de investigación, Grup de Sensors i Biosensors de la Universidad Autònoma de Barcelona. En concreto se han desarrollado dos aptasensores para la detección de la proteína trombina, uno basado en la inmovilización de aptámeros por adsorción física, y otro basado en la inmovilización de aptámeros por enlace covalente mediante la reacción EDAC-NHS. El aptasensor utiliza la afinidad específica de la cadena de DNA (aptámero) por la proteína con la que interacciona. Los cambios de carga y estéricos del complejo aptámero proteína alteran la capacidad y la resistencia de transferencia interfacial de electrones en la superficie del electrodo. El principio de detección se basa en la detección de cambios de estas propiedades de interfase del electrodo con el marcador redox [Fe(CN)6]3- / [Fe(CN)6]4-, utilizando mediciones de Espectroscopia Electroquímica de Impedancia. El aptasensor basado en adsorción física del aptámero mostró una respuesta lineal a trombina en el rango de 7.5 a 75 pM y un límite de detección de 5pM, después de optimizar todas las condiciones experimentales. Posteriormente se estudió la especificidad del sistema respecto proteínas potencialmente interferentes presentes en suero sanguíneo, obteniendo cierta interferencia por parte de fibrinógeno e inmunoglobulina G, pero no por parte de albúmina. El sensor demostró ser regenerable mediante la ruptura del complejo formado entre el aptámero y la trombina con una solución de NaCl 2.0 M, aumento de la temperatura y agitación. El segundo aptasensor, basado en enlace covalente del aptámero mostró una respuesta lineal a trombina y limite de detección mejor que el anterior sensor; de 2.5 a 100 pM y 1.5 pM respectivamente. Aunque cabe destacar que este aptasensor está siendo optimizado actualmente.

Electroisomerització en compostos fotocròmics: formació reversible d'enllaços C-C i C-O

La present memòria descriu processos d'electroisomerització en compostos fotocròmics, [2.2]metaciclofans i naptopirans. Els estudis electroquímics i espectroelectroquímics mostren la formació d'enllaços C-C i C-O pels [2.2]metaciclofans i naptopirans, respectivament.

Theoretical study of the second-order vibrational Stark effect

The behaviour of the harmonic infrared frequency of diatomic molecules subjected to moderate static uniform electric fields is analysed. The potential energy expression has been developed as a function of a static uniform electric field, which brings about a formulation describing the frequency versus field strength curve. With the help of the first and second derivatives of the expressions obtained, which correspond to the first- and second-order Stark effects, it was possible to find the maxima of the frequency versus field strength curves for a series of molecules using a Newton-Raphson search. A method is proposed which requires only the calculation of a few energy derivatives at a particular value of the field strength. At the same time, the expression for the dependence of the interatomic distance on the electric field strength is derived and the minimum of this curve is found for the same species. Derived expressions and numerical results are discussed and compared with other studi

Properties of nitrogen doped silicon films deposited by low-pressure chemical vapor deposition from silane and ammonia

Nitrogen doped silicon (NIDOS) films have been deposited by low-pressure chemical vapor deposition from silane SiH4 and ammonia NH3 at high temperature (750°C) and the influences of the NH3/SiH4 gas ratio on the films deposition rate, refractive index, stoichiometry, microstructure, electrical conductivity, and thermomechanical stress are studied. The chemical species derived from silylene SiH2 into the gaseous phase are shown to be responsible for the deposition of NIDOS and/or (silicon rich) silicon nitride. The competition between these two deposition phenomena leads finally to very high deposition rates (100 nm/min) for low NH3/SiH4 gas ratio (R¿0.1). Moreover, complex variations of NIDOS film properties are evidenced and related to the dual behavior of the nitrogen atom into silicon, either n-type substitutional impurity or insulative intersticial impurity, according to the Si¿N atomic bound. Finally, the use of NIDOS deposition for the realization of microelectromechanical systems is investigated.

Fingerlike aggregates in thin-layer electrodeposition

Electrodeposition experiments conducted in a thin-layer horizontal cell containing a nonbinary aqueous electrolyte prepared with cupric sulfate and sodium sulfate gave rise to fingerlike deposits, a novel and unexpected growth mode in this context. Both the leading instability from which fingers emerge and some distinctive features of their steady evolution are interpreted in terms of a simple model based on the existing theory of fingering in fluids.

Plasma-enhanced chemical vapor deposition of boron nitride thin films from B2H6-H2-NH3 and B2H6-N2 gas mixtures

Highly transparent and stoichiometric boron nitride (BN) films were deposited on both electrodes (anode and cathode) of a radio-frequency parallel-plate plasma reactor by the glow discharge decomposition of two gas mixtures: B2H6-H2-NH3 and B2H6-N2. The chemical, optical, and structural properties of the films, as well as their stability under long exposition to humid atmosphere, were analyzed by x-ray photoelectron, infrared, and Raman spectroscopies; scanning and transmission electron microscopies; and optical transmittance spectrophotometry. It was found that the BN films grown on the anode using the B2H6-H2-NH3 mixture were smooth, dense, adhered well to substrates, and had a textured hexagonal structure with the basal planes perpendicular to the film surface. These films were chemically stable to moisture, even after an exposition period of two years. In contrast, the films grown on the anode from the B2H6-N2 mixture showed tensile stress failure and were very unstable in the presence of moisture. However, the films grown on the cathode from B2H6-H2-NH3 gases suffered from compressive stress failure on exposure to air; whereas with B2H6-N2 gases, adherent and stable cathodic BN films were obtained with the same crystallographic texture as anodic films prepared from the B2H6-H2-NH3 mixture. These results are discussed in terms of the origin of film stress, the effects of ion bombardment on the growing films, and the surface chemical effects of hydrogen atoms present in the gas discharge.

Growth rate of fractal copper electrodeposits: Potential and concentration effects

Experiments are reported on fractal copper electrodeposits. An electrochemical cell was designed in order to obtain a potentiostatic control on the quasi-two-dimensional electrodeposition process. The aim was focused on the analysis of the growth rate of the electrodeposited phase, in particular its dependence on the electrode potential and electrolyte concentration.

Morphological changes in convection-diffusion-limited deposition

The effect of hydrodynamic flow upon diffusion-limited deposition on a line is investigated using a Monte Carlo model. The growth process is governed by the convection and diffusion field. The convective diffusion field is simulated by the biased-random walker resulting from a superimposed drift that represents the convective flow. The development of distinct morphologies is found with varying direction and strength of drift. By introducing a horizontal drift parallel to the deposition plate, the diffusion-limited deposit changes into a single needle inclined to the plate. The width of the needle decreases with increasing strength of drift. The angle between the needle and the plate is about 45° at high flow rate. In the presence of an inclined drift to the plate, the convection-diffusion-limited deposit leads to the formation of a characteristic columnar morphology. In the limiting case where the convection dominates, the deposition process is equivalent to ballistic deposition onto an inclined surface.

Mineralization of the recalcitrant oxalic and oxamic acids by electrochemical advanced oxidation processes using a boron-doped diamond anode

Oxalic and oxamic acids are the ultimate and more persistent by-products of the degradation of N-aromatics by electrochemical advanced oxidation processes (EAOPs). In this paper, the kinetics and oxidative paths of these acids have been studied for several EAOPs using a boron-doped diamond (BDD) anode and a stainless steel or an air-diffusion cathode. Anodic oxidation (AO-BDD) in the presence of Fe2+ (AO-BDD-Fe2+) and under UVA irradiation (AO-BDD-Fe2+-UVA), along with electro-Fenton (EF-BDD), was tested. The oxidation of both acids and their iron complexes on BDD was clarified by cyclic voltammetry. AO-BDD allowed the overall mineralization of oxalic acid, but oxamic acid was removed much more slowly. Each acid underwent a similar decay in AO-BDD-Fe2+ and EFBDD, as expected if its iron complexes were not attacked by hydroxyl radicals in the bulk. The faster and total mineralization of both acids was achieved in AO-BDD-Fe2+-UVA due to the high photoactivity of their Fe(III) complexes that were continuously regenerated by oxidation of their Fe(II) complexes. Oxamic acid always released a larger proportion of NH4 + than NO3- ion, as well as volatile NOx species. Both acids were independently oxidized at the anode in AO-BDD, but in AO-BDD-Fe2+-UVA oxamic acid was more slowlydegraded as its content decreased, without significant effect on oxalic acid decay. The increase in current density enhanced the oxidation power of the latter method, with loss of efficiency. High Fe2+ contents inhibited the oxidation of Fe(II) complexes by the competitive oxidation of Fe2+ to Fe3+. Low current densities and Fe2+ contents are preferable to remove more efficiently these acids by the most potent AO-BDD-Fe2+-UVA method.