Kinetic modeling of mechanisms of industrially important organic reactions in gas and liquid phase

This dissertation is based on 5 articles which deal with reaction mechanisms of the following selected industrially important organic reactions: 1. dehydrocyclization of n-butylbenzene to produce naphthalene 2. dehydrocyclization of 1-(p-tolyl)-2-methylbutane (MB) to produce 2,6-dimethylnaphthalene 3. esterification of neopentyl glycol (NPG) with different carboxylic acids to produce monoesters 4. skeletal isomerization of 1-pentene to produce 2-methyl-1-butene and 2-methyl-2-butene The results of initial- and integral-rate experiments of n-butylbenzene dehydrocyclization over selfmade chromia/alumina catalyst were applied when investigating reaction 2. Reaction 2 was performed using commercial chromia/alumina of different acidity, platina on silica and vanadium/calcium/alumina as catalysts. On all catalysts used for the dehydrocyclization, major reactions were fragmentation of MB and 1-(p-tolyl)-2-methylbutenes (MBes), dehydrogenation of MB, double bond transfer, hydrogenation and 1,6-cyclization of MBes. Minor reactions were 1,5-cyclization of MBes and methyl group fragmentation of 1,6- cyclization products. Esterification reactions of NPG were performed using three different carboxylic acids: propionic, isobutyric and 2-ethylhexanoic acid. Commercial heterogeneous gellular (Dowex 50WX2), macroreticular (Amberlyst 15) type resins and homogeneous para-toluene sulfonic acid were used as catalysts. At first NPG reacted with carboxylic acids to form corresponding monoester and water. Then monoester esterified with carboxylic acid to form corresponding diester. In disproportionation reaction two monoester molecules formed NPG and corresponding diester. All these three reactions can attain equilibrium. Concerning esterification, water was removed from the reactor in order to prevent backward reaction. Skeletal isomerization experiments of 1-pentene were performed over HZSM-22 catalyst. Isomerization reactions of three different kind were detected: double bond, cis-trans and skeletal isomerization. Minor side reaction were dimerization and fragmentation. Monomolecular and bimolecular reaction mechanisms for skeletal isomerization explained experimental results almost equally well. Pseudohomogeneous kinetic parameters of reactions 1 and 2 were estimated by usual least squares fitting. Concerning reactions 3 and 4 kinetic parameters were estimated by the leastsquares method, but also the possible cross-correlation and identifiability of parameters were determined using Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. Finally using MCMC method, the estimation of model parameters and predictions were performed according to the Bayesian paradigm. According to the fitting results suggested reaction mechanisms explained experimental results rather well. When the possible cross-correlation and identifiability of parameters (Reactions 3 and 4) were determined using MCMC method, the parameters identified well, and no pathological cross-correlation could be seen between any parameter pair.

Ion modulated organic transistors

I likhet med vanliga plaster är de π-konjugerade polymererna flexibla, lösliga och processbara vid låga temperaturer (< 150 ºC). Därutöver har de egenskapen att leda ström. Konduktivitetsintervallet är brett och omfattar nästintill metallisk ledningsförmåga å ena sidan, via halvledarkonduktiva till isolerande å andra sidan. Polymererna utgörs av regelbundna kedjor av kolatomer och associeras sålunda till organiska material. Sedan de första vetenskapliga rapporterna publicerades vid slutet av 1970-talet har π-konjugerade polymerer använts och utvecklats i exempelvis solceller, dioder, lysdioder och transistorer. Nobelpriset i kemi tilldelades år 2000 åt Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger och Alan G. MacDiarmid för upptäckten och utvecklandet av ledande polymerer. I min avhandling har jag arbetat med att utveckla och förstå lågspännings jonmodulerade organiska transistorer. Två typer av jonmodulerade organiska transistorer studeras: (1) den jonmodulerade organiska fälteffekt transistorn (jonmodulerade OFETen), som utgör den centrala transistorn i avhandlingen, samt (2) den elektrokemiska transistorn. Den första typen fungerar som en konventionell OFET. Strömmen i halvledaren moduleras av det elektriska fältet över isolatorn. Med användandet av en elektrolyt ”isolator” orsakar polariseringen av jonerna däremot ett högt elektriskt fält vid elektrolyt/halvledargränssnittet och man åstadkommer modulering av strömmen redan vid några volts drivspänningar. I den andra typen utnyttjas elektrokemi för att medelst reduktion/oxidation modulera strömmen i den π-konjugerade polymeren. Ett viktigt ändamål i avhandlingen har också varit att kunna tillverka transistorerna med masstillverkningsmetoder. I avhandlingen presenteras de jonmodulerade organiska transistorernas möjlighet att framställas med masstillverkningsmetoder. Nya koncept introduceras och svagheter identifieras. Skillnaderna mellan OFETen, jonmodulerade OFETen och den elektrokemiska transistorn klargörs. Arbetet skall däremot inte anses fullbordat utan forskningen fortgår för att kringgå svagheterna, öka på transistorernas stabilitet och framförallt tillämpa dem i innovativa applikationer.

Printed low-voltage organic transistors on plastics and paper

The main advantage of organic electronics over the more widespread inorganic counterparts lies not in the electrical performance, but rather in the solution processability that opens up for low-cost flexible electronics (e.g. displays, sensors and smart tags) fabricated by using printing techniques. Replacing the commonly used laboratory-scale fabrication techniques with mass-printing techniques is, however, truly challenging, especially when low-voltage operation is required. In this thesis it is, nevertheless, demonstrated that low-voltage organic transistors can be fully printed with a similar performance to that of transistors made by laboratory scale techniques. The use of an ion-modulated type of organic field effect transistor (OFET) not only enabled low-voltage operation and printability, but was also found to result in low sensitivity to the surface roughness of the substrate. This allows not only the use of low-cost plastic substrates, but even the use of paper as a substrate. However, while absorption into the porous paper surface is advantageous in a graphical printing process, by reducing the spreading and the coffee-stain effect and by improving the adhesion, it provides great challenges when applying thin electrically active layers. In spite of these difficulties we were able to demonstrate the first low-voltage OFET to be fabricated on paper. We have also shown that low-cost incandescent lamps can be used for sintering printed metal-nanoparticles, and that the process was especially suitable on paper and compatible with a roll-to-roll manufacturing process.

Photoexcitation dynamics in organic solar cell donor/acceptor systems

Solceller presenteras ofta som ett miljövänligt alternativ för energiproduktion. Det största hindret för en bredare ibruktagning av kiselbaserade solceller är deras höga pris. I och med upptäckten av ledande och halvledande organiska (kolbaserade) molekyler och polymerer har ett nytt forskningsområde, organisk elektronik, vuxit fram. Den stora fördelen med organisk elektronik är att de använda materialen oftast är lösliga. Tillverkning av elektroniska komponenter kan då göras med hjälp av konventionella trycktekniker där bläcket ersatts med upplösta organiska material. Detta har potential att betydligt sänka priset för solceller. Nackdelen med organisk elektronik är att de använda materialen är komplexa, och de fysikaliska processerna i dem likaså. I min avhandling har jag studerat fotofysiken i två polymerer, P3HT och APFO3, som kan användas för att tillverka organiska solceller. Blandade med fullerenderivatet PCBM, som är en stark elektronacceptor, fås ett material som effektivt producerar elektroner och hål under belysning. I praktiken bidrar dock inte alla skapade laddningar till strömmen ur solcellen. Elektronerna och hålen kan förbli bundna till varandra i olika exciterade tillstånd, och även de som är fria kan träffa på motsatta laddningar under vägen till kontakterna och rekombinera. Centralt i mitt arbete har varit att identifiera olika typer av exciterade tillstånd i dessa solcellsmaterial, samt att bestämma deras livstider och rekombination. Metoden för detta har varit s.k. fotoinducerad absorption, som mäter fotoexcitationernas absorptioner i infraröda våglängdsområdet. De två viktigaste resultaten som presenteras i avhandlingen är en ratekvationsmodell för fotoexcitationsdynamiken i APFO3 på ultrasnabba tidsskalor (femtosekund - microsekund) och bildandet av en rekombinationshämmande dipol vid gränsytan för P3HT och PCBM som följd av värmebehandling. Dessa resultat bidrar till förståelsen av de fotofysikaliska processerna i relaterade material.

Interfacial effects in organic solar cells

Solceller baserade på organiska halvledare erbjuder en möjlighet till storskalig och billig solenergiproduktion. Organiska halvledare har den fördelen att de är lösningsprocesserbara vilket gör att solceller och andra elektroniska komponenter baserade på dessa halvledare kan tillverkas vid låga temperaturer och med liten energiförbrukning. Nackdelen med dessa material är deras strukturella och energetiska oordning som leder till lägre effektivitet. För att organiska solceller ska kunna kommersialiseras krävs grundläggande insikter i de olika processer som begränsar effektiviteten. En stor del av forskningen om dessa processer har varit fokuserad kring egenskaperna av solcellens olika komponenter (de aktiva materialen) som sådana, medan gränsytorna mellan olika material har fått mindre uppmärksamhet. Gränsytor mellan olika material har distinkt olika egenskaper jämfört med ett rent material, och gränsytors olika egenskaper kan ha en väldigt stor inverkan på hur solcellerna fungerar. Syftet med denna avhandling är att klargöra några olika gränsyterelaterade effekter i organiska dioder och solceller. De gränsytor som behandlas är gränsytan mellan kontakten och det aktiva lagret (metall-organisk) och gränsytan mellan donor och acceptor (organisk-organisk). Resultaten visar att metall-organiska gränsytor måste designas noggrant för att begränsa förlust av effektivitet. En icke-idealisk kontakt leder till starkt reducerad effektivitet på grund av att elektronerna extraheras ineffektivt. Även till synes idealiska kontakter kan orsaka förluster genom spontan laddningsöverföring från metallen till det organiska lagret som effektivt sett minskar på den spänning som cellen kan alstra. Den organisk-organiska gränsytan påverkar hur mycket ström cellen kan alstra och beroende på gränsytans beskaffenhet kan de negativa rekombinationsprocesserna i materialet kontrolleras. ------------------------------------------------- Orgaanisille puolijohteille perustuvat aurinkokennot mahdollistavat suurimuotoisen ja edullisen aurinkoenergiatuotannon. Orgaanisten puolijohteiden etu on että ne voidaan liuottaa, jolloin aurinkokennot ja muut näille johteille perustuvat elektroniset komponentit voidaan valmistaa alhaisessa lämpötilassa kuluttaen vähän energiaa. Materiaalien huonona puolena on kuitenkin niiden rakenteellinen ja energeettinen epäjärjestys, jonka seurauksena niiden tehokkuus on huonompi. Orgaanisten aurinkokennojen kaupallistaminen edellyttää perustavanlaatuista ymmärystä tehokkuutta rajoittavista prosesseista. Aurinkokennotutkimus on pääosin keskittynyt aurinkokennon eri komponenttien (aktiivisten materiaalien) ominaisuuksiin, kun taas eri materiaalien rajapinnat ovat jääneet vähemmälle huomiolle. Eri materiaalien välisillä rajapinnoilla on huomattavan erilaisia ominaisuuksia verrattuna puhtaisiin materiaaleihin. Rajapintojen ominaisuudet voivat kuitenkin vaikuttaa merkittävästi aurinkokennojen toimintaan. Tämän väitöstutkimuksen tarkoituksena on selventää joitain rajapintoihin liittyviä toimintoja orgaanisissa diodeissa ja aurinkokennoissa. Käsiteltävät rajapinnat ovat rajapinta kontaktin ja aktiivisen kerroksen välillä (metallis-orgaaninen) ja rajapinta donorin ja akseptorin välillä (orgaanis-orgaaninen). Tutkimustulokset osoittavat, että metallis-orgaaniset rajapinnat tulee suunnitella huolellisesti, jotta tehokkuuden alenemista voidaan rajoittaa. Mikäli kontakti ei ole ideaalisti suunniteltu, vähenee tehokkuus huomattavasti, mikä johtuu elektronien tehottomasta ekstrahoinnista. Jopa ideaalisilta vaikuttavat kontaktit voivat johtaa tehokkuuden alenemiseen, mikäli varaus siirtyy spontaanisti metallista orgaaniseen kerrokseen, sillä tämä alentaa jännitettä jonka kenno voi tuottaa. Kennon orgaanis-orgaaninen rajapinta vaikuttaa siihen, kuinka paljon virtaa kenno pystyy tuottamaan. Rajapinnan ominaisuuksista riippuen materiaalin rekombinaatio on hallittavissa.

Persistent organic pollutants in sediments and fish from Lake Victoria, Uganda

This thesis describes the occurrence and sources of selected persistent organic pollutants (POPs) such as polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs), polychlorinated dibenzofurans (PCDFs), polychlorinated biphenyls (PCBs), polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) and hexachlorocyclohexanes (HCHs) in the northern watershed of Lake Victoria. Sediments and fish were collected from three highly polluted embayments (i.e. Murchison Bay, Napoleon Gulf and Thurston Bay) of the lake. The analysis for PCDD/Fs, PCBs and PBDEs was done using a high resolution mass spectrometer coupled to a gas chromatograph (GC), and a GC equipped with an electron capture detector was used for HCHs. Total (Σ) PCDD/Fs, PCBs and PBDEs in sediments ranged from 3.19 to 478, 313 to 4325 and 60.8 to 179 pg g-1 dry weight (dw), respectively. The highest concentrations of pollutants were found at sites close to industrial areas and wastewater discharge points. The maximum concentrations of PCDD/Fs, PCBs, PBDEs and HCHs in fish muscle homogenates were 49, 779, 495 and 45,900 pg g-1 wet weight (ww), respectively. The concentrations of the pollutants in Nile perch (Lates niloticus) were significantly greater than those in Nile tilapia (Oreochromis niloticus), possibly due to differences in trophic level and dietary feeding habits among fish species. World Health Organization-toxic equivalency quotient (WHO2005-TEQ) values in the sediments were up to 4.24 pg g-1 dw for PCDD/Fs and 0.55 pg TEQ g-1 dw for the 12 dioxin-like PCBs (dl-PCBs). 23.1% of the samples from the Napoleon Gulf were above the interim sediment quality guideline value of 0.85 pg WHO-TEQ g-1 dw set by the Canadian Council for Ministers of the Environment. The WHO2005-TEQs in fish were 0.001-0.16 pg g-1 for PCDD/Fs and 0.001-0.31 pg g-1 ww for dl- PCBs. The TEQ values were within a permissible level of 3.5 pg g−1 ww recommended by the European Commission. Based on the Commission set TEQs and minimum risk level criteria formulated by the Agency for Toxic Substances and Disease Registry, the consumption of fish from Lake Victoria gives no indication of health risks associated to PCDD/Fs and PCBs. Principal component analysis (PCA) indicated that anthropogenic activities such as agricultural straw open burning, medical waste incinerators and municipal solid waste combustors were the major sources of PCDD/Fs in the watershed of Lake Victoria. The ratios of α-/γ-HCH varied from 0.89 to 1.68 suggesting that the highest HCH residues mainly came from earlier usage and fresh γ-HCH (lindane). In the present study, the concentration of POPs in fish were not significantly related to those in sediments, and the biota sediment accumulation factor (BSAF) concept was found to be a poor predictor of the bioavailability and bioaccumulation of environmental pollutants.