Adsorption of p-nitrophenol in untreated and treated activated carbon

The adsorption of p-nitrophenol in one untreated activated carbon (F100) and three treated activated carbons (H-2, H2SO4 and Urea treated F100) was carried out at undissociated and dissociated conditions. To characterize the carbon, N-2 and CO2 adsorption were used. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was used to analyze the surface of the activated carbon. The experimental isotherms are fitted via the Langmuir homogenous model and Langmuir binary model. Variation of the model parameters with the solution pH is studied. Both Q(max) and the adsorption affinity coefficient (K-1) were dependent on the PZC of the carbons and solution pH. The Effect of pH must be considered due to its combined effects on the carbon surface and on the solute molecules. Adsorption of p-nitrophenol at higher pH was found to be dependent on the concentration of the anionic form of the solute.

Why H Atom Prefers the On-Top Site and Alkali Metals Favor the Middle Hollow Site on the Basal Plane of Graphite

In this work, the different adsorption properties of H and alkali metal atoms on the basal plane of graphite are studied and compared using a density functional method on the same model chemistry level. The results show that H prefers the on-top site while alkali metals favor the middle hollow site of graphite basal plane due to the unique electronic structures of H, alkali metals, and graphite. H has a higher electronegativity than carbon, preferring to form a covalent bond with C atoms, whereas alkaline metals have lower electronegativity, tending to adsorb on the highest electrostatic potential sites. During adsorption, there are more charges transferred from alkali metal to graphite than from H to graphite.

Thermal stability analysis of organo-silicates, using solid phase microextraction techniques

An analysis of thermal degradation products evolved during the melt processing of organo-layered silicates (OLS) was carried out via the use of a solid phase microextraction (SPME) technique. Two commerical OLSs and one produced in-house were prepared for comparision. The solid phase microextraction technique proved to be a very effective technique for investigating the degradation of the OLS at a specific processing temperature. The results showed that most available OLSs will degrade under typical conditions required for the melt processing of many polymers, including thermoplastic polyurethanes. It is suggested that these degradation products may lead to changes in the structure and properties of the final polymer, particularly in thermoplastic polyurethanes, which seem significantly succeptable to the presence of these products. It is also suggested that many commercially available OLSs are produced in such a way that results in an excess of unbound organic modifier, giving rise to a greater quantity of degradation products. All OLSs where compared and characterised by TGA and GC-MS. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

The interlayer swelling and molecular packing in organoclays

Understanding the interlayer swelling and molecular packing in organoclays is important to the formation and design of polymer nanocomposites. This paper presents recent experimental and molecular simulation studies on a variety of organoclays that show a linear relationship between the increase of d-spacing and the mass ratio between organic and clay. A denser molecular packing is observed in organoclays containing surfactants with hydroxyl-ethyl units. Moreover, our simulation results show that the head (nitrogen) groups are essentially tethered to the clay surface while the long hydrocarbon chains tend to adopt a layering structure with disordered conformation, which contrasts with the previous assumptions of either the chains lying parallel to the clay surface or being tilted at rather precise angles. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Comparative Analysis of Structural and Morphological Properties of Large-Pore Periodic Mesoporous Organosilicas and Pure Silicas

A systematic study on the structural properties and external morphologies of large-pore mesoporous organosilicas synthesized using triblock copolymer EO20PO70EO20 as a template under low-acid conditions was carried out. By employing the characterization techniques of SAXS, FE-SEM, and physical adsorption of N-2 in combination with alpha(s)-plot method, the structural properties and external morphologies of large-pore mesoporous organosilicas were critically examined and compared with that of their pure-silica counterparts synthesized under similar conditions. It has been observed that unlike mesoporous pure silicas, the structural and morphological properties of mesoporous organosilicas are highly acid-sensitive. High-quality mesoporous organosilicas can only be obtained from synthesis gels with the molar ratios of HCl/H2O between 7.08 x 10(-4) and 6.33 x 10(-3), whereas mesoporous pure silicas with well-ordered structure can be obtained in a wider range of acid concentration. Simply by adjusting the HCl/H2O molar ratios, the micro-, meso-, and macroporosities of the organosilica materials can be finely tuned without obvious effect on their structural order. Such a behavior is closely related to their acid-controlled morphological evolution: from necklacelike fibers to cobweb-supported pearl-like particles and to nanosized particulates.

Control of ordered structure and morphology of large-pore periodic mesoporous organosilicas by inorganic salt

Highly ordered rodlike periodic mesoporous organosilicas (PMO) were successfully synthesized using 1.2-bis(trimethoxysilyl)ethane as an precursor and triblock copolymer P123 as a template at low acid concentration and in the presence of inorganic salts (KCl). The role of acid and salt as well as the effects of synthesis temperature and reactant mole ratio in the control of morphology and the formation of ordered mesostructure was systematically examined. It was found that the addition of inorganic salt can dramatically expand the range of the synthesis parameters to produce highly ordered PMO structure and improve the quality of PMO materials. The morphology of PMOs was significantly dependent on the induction time for precipitation. The uniform PMO rods can only be synthesized in a narrow range of acid and salt concentrations. The results also show that the optimized salt concentration (I M) and low acidity (0.167 M) were beneficial to the formation of not only highly ordered mesostructure but also rodlike morphology. Increasing acidity resulted in fast hydrolysis reaction and short rod or plate-like particles. Highly ordered rod can also be prepared at low temperature (35 degrees C) with high salt amount (1.5 M) or high temperature (45 degrees C) with low salt amount (0.5 M). Optimum reactant molar composition at 40 degrees C is 0.035P123:8KCl:1.34HCI:444H(2)O:1.0bis(trimethoxysilyl)ethane. Lower or higher SiO2/PI23 ratio led to the formation of uniform meso-macropores or pore-blocking effect. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Characterization of heat-treated porous carbons using argon adsorption

The microstructural variation of Norit RI Extra activated carbon, progressively heated at 1373 K, was explored in terms of pore size and pore wall thickness distributions, for various periods of heating time, determined by argon adsorption at 87 K, both using an infinite as well as and finite wall thickness model. The latter approach has recently been developed in our laboratory and has been applied to several virgin carbons. The current results show significant variations in small pore size regions (< 7 angstrom) in association with strong growth of thick walls having at least three carbon sheets, as a result of heat treatment. In particular, shrinkage of the smallest pores due to strong interaction between their opposite walls as well as smoothening of carbon wall surfaces due to an increase in graphitization degree under thermal treatment have been found. Further, the results of pore wall thickness distribution are well corroborated by X-ray diffraction. The results of pore size and pore wall thickness distributions are also shown to be consistent with transmission electron microscopy analyses. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Criteria for quantum coherent transfer of excitations between chromophores in a polar solvent

We show that the quantum decoherence of Forster resonant energy transfer between two optically active molecules can be described by a spin-boson model. This allows us to give quantitative criteria that are necessary for coherent quantum oscillations of excitations between the chromophores. Experimental tests of our results should be possible with flourescent resonant energy transfer (FRET) spectroscopy. Although we focus on the case of protein-pigment complexes our results are also relevant to quantum dots and organic molecules in a dielectric medium. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Optimum conditions for adsorptive storage

The storage of gases in porous adsorbents, such as activated carbon and carbon nanotubes, is examined here thermodynamically from a systems viewpoint, considering the entire adsorption-desorption cycle. The results provide concrete objective criteria to guide the search for the Holy Grail adsorbent, for which the adsorptive delivery is maximized. It is shown that, for ambient temperature storage of hydrogen and delivery between 30 and 1.5 bar pressure, for the optimum adsorbent the adsorption enthalpy change is 15.1 kJ/mol. For carbons, for which the average enthalpy change is typically 5.8 kJ/mol, an optimum operating temperature of about 115 K is predicted. For methane, an optimum enthalpy change of 18.8 kJ/mol is found, with the optimum temperature for carbons being 254 K. It is also demonstrated that for maximum delivery of the gas the optimum adsorbent must be homogeneous, and that introduction of heterogeneity, such as by ball milling, irradiation, and other means, can only provide small increases in physisorption-related delivery for hydrogen. For methane, heterogeneity is always detrimental, at any value of average adsorption enthalpy change. These results are confirmed with the help of experimental data from the literature, as well as extensive Monte Carlo simulations conducted here using slit pore models of activated carbons as well as atomistic models of carbon nanotubes. The simulations also demonstrate that carbon nanotubes offer little or no advantage over activated carbons in terms of enhanced delivery, when used as storage media for either hydrogen or methane.

I.~Synthesis, isolation, and characterization of 1-(2-anthryl)-2-cyclopropylethylene and 1-(2-naphthyl)-2-cyclopropylethylene. II.~Titanium dioxide photocatalysis of haloethers: A mechanistic study

I. The target molecules are classified as 1-aryl 2-cyclopropyl substituted ethylene. In the ground state, these molecules have a number of conformers, which are in equilibrium through rotation about single bonds. Once excited, the conformers have fixed conformation and are no longer in equilibrium and can be distinguished by their UV-vis as well as fluorescence spectra. The synthetic strategy involves standard steps. Both 2-methylanthracene and 2-methylnaphthalene were brominated using N-bromosuccinimide to give the bromomethyl adduct, which then was reacted with triphenylphosphine to form the phosphonium salt. This was followed by the formation of the phosphorus ylide, which upon treatment with cyclopropanecarboxaldehyde gave the product.^ II. The degradation of three aliphatic haloethers: bis-(2-chloroethyl) ether, bis-(2-chloroisopropyl) ether, and bis-(2-chloroethoxy)methane and two aromatic haloethers: 4-chlorodiphenyl ether and 4-bromodiphenyl ether was studied. Product studies have been conducted on the titanium dioxide photocatalysis of these compounds including mass balance, monitoring and identifying intermediates to establish the reaction pathways to deduce a mechanism for their degradation. The extent of mineralization was determined from the measurement of halogen anion (Cl$\sp-$/Br$\sp-$) as well as total organic carbon. The relative rates of disappearance of the individual haloethers appear to be related to the hydrophobic character of the given compound. Reaction mechanisms involving hydroxyl radical are proposed to explain the observed results. ^

Formation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Nitrogen Containing Polycyclic Aromatic Compounds in Titan's Atmosphere, the Interstellar Medium and Combustion

Several different mechanisms leading to the formation of (substituted) naphthalene and azanaphthalenes were examined using theoretical quantum chemical calculations. As a result, a series of novel synthetic routes to Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and Nitrogen Containing Polycyclic Aromatic Compounds (N-PACs) have been proposed. On Earth, these aromatic compounds originate from incomplete combustion and are released into our environment, where they are known to be major pollutants, often with carcinogenic properties. In the atmosphere of a Saturn's moon Titan, these PAH and N-PACs are believed to play a critical role in organic haze formation, as well as acting as chemical precursors to biologically relevant molecules. The theoretical calculations were performed by employing the ab initio G3(MP2,CC)/B3LYP/6-311G** method to effectively probe the Potential Energy Surfaces (PES) relevant to the PAH and N-PAC formation. Following the construction of the PES, Rice-Ramsperger-Kassel-Markus (RRKM) theory was used to evaluate all unimolecular rate constants as a function of collision energy under single-collision conditions. Branching ratios were then evaluated by solving phenomenological rate expressions for the various product concentrations. The most viable pathways to PAH and N-PAC formation were found to be those where the initial attack by the ethynyl (C2H) or cyano (CN) radical toward a unsaturated hydrocarbon molecule led to the formation of an intermediate which could not effectively lose a hydrogen atom. It is not until ring cyclization has occurred, that hydrogen elimination leads to a closed shell product. By quenching the possibility of the initial hydrogen atom elimination, one of the most competitive processes preventing the PAH or N-PAC formation was avoided, and the PAH or N-PAC formation was allowed to proceed. It is concluded that these considerations should be taken into account when attempting to explore any other potential routes towards aromatic compounds in cold environments, such as on Titan or in the interstellar medium.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.