Electrochemical Characterization of Shape-Controlled Pt Nanoparticles in Different Supporting Electrolytes

The voltammetric profile of preferentially shaped platinum nanoparticles has been used to analyze the different sites present on the surface. For the first time, this analysis has been made in NaOH solutions and revisited in sulfuric and perchloric acid media. The comparison with the voltammetric profiles of the model surfaces, that is, single-crystal electrodes, allows assigning the different signals appearing in the voltammograms of the nanoparticle to specific sites on the surface. A good correlation between the shape of the nanoparticle determined by TEM and the voltammetric profile is obtained. For the nanoparticles characterized in alkaline media, the adsorbed species on the surface have been characterized, and three major regions can be identified. Below 0.2 V, the major contribution is due to hydrogen adsorption, whereas above 0.6 V, adsorbed OH is the main species on the surface. Between those values, the signals are due to the competitive adsorption/desorption process of OH/H. New criteria for determining the active area in NaOH solutions has been proposed. In this medium, the total charge density measured between 0.06 and 0.90 V stands for 390 μC cm–2. The areas measured are in perfect agreement with those measured in acid media. Once the nanoparticles have been characterized, the behavior of the nanoparticles toward CO oxidation is analyzed and compared with that observed for single-crystal electrodes.

Oxidation of Ethanol and Its Derivatives on Well Defined Pt Single Crystal Electrodes Vicinal to Pt(111): A Comparative Study

The oxidation of ethanol (EtOH) at Pt(111) electrodes is dominated by the 4e path leading to acetic acid. The inclusion of surface defects such as those present on stepped surfaces leads to an increase of the reactivity towards the most desirable 12e path leading to CO2 as final product. This path is also favored when the methyl group is more oxidized, as in the case of ethylene glycol (EG) that spontaneously decomposes to CO on Pt(111) electrodes, thus showing a more effective breaking of the C-C bond. Some trends in reactivity can be envisaged when other derivative molecules are compared at well-ordered electrodes. This strategy was used in the past, but the improvement in the electrode pretreatment and the overall information available on the subject suggest that relevant information is still missing.

On the behavior of the Pt(1 0 0) and vicinal surfaces in alkaline media

We address in this paper a voltammetric study of the charge transfer processes characteristic of Pt(1 0 0) and vicinal surfaces in alkaline media. The electrochemical behavior of a series of stepped surfaces of the type Pt(S)[n(1 0 0) × (1 1 1)] has been characterized using cyclic voltammetry at different pHs, charge displacement measurements and FTIR experiments for adsorbed CO. The results from these techniques allow assigning the different peaks appearing in the voltammogram to hydrogen and/or OH adsorption on the different sites of these surfaces, namely, terrace and step sites. Additionally, the potential of zero total charge (pztc) of the electrodes was determined. The resulting pztc values shift to more negative values when the step density increases on the surface up to n = 5. FTIR spectroscopy experiments have been used to monitor the adsorption of CO on the different surfaces as well as the consequent CO oxidation, accompanying a positive potential sweep. The oxidation of adsorbed CO on (1 0 0) terraces is catalyzed by the presence of the (1 1 1) steps. The FTIR spectra revealed that CO is mostly bonded in bridge configuration at low potentials interconverting to on-top when the electrode potential is increased.

Técnicas avanzadas para la restauración de arrecifes de coral

En la actualidad, los arrecifes de coral, ecosistemas productivos de gran vulnerabilidad, se encuentran en un estado de degradación continua por factores tanto de carácter antropogénico como natural. Consecuentemente se han desarrollado diversas metodologías de conservación y restauración de las cuales destaca el uso de técnicas electroquímicas. Dicha técnica consiste en el depósito electroasistido de carbonatos de calcio sobre soportes de acero inoxidable (u otro material conductor) que sumergido en el agua de mar y por la aplicación de una corriente de reducción genera un depósito mineral sobre el soporte metálico. En primer lugar, se han estudiado diversos sustratos conductores, tanto metálicos como carbonosos mediante técnicas voltamperométricas en las que se ha podido apreciar la efectividad de cada uno de ellos para la precipitación de minerales. Si se aplica una intensidad de corriente en la electrolisis de agua de mar se produce una reacción de reducción electroquímica en el electrodo sumergido que actúa como cátodo que induce un cambio de los parámetros químicos del agua: el pH, alcalinidad, concentración de calcio y magnesio, etc. A la vez, en la superficie del cátodo se promueve la formación y crecimiento de un depósito mineral. Este se ha analizado mediante diversas técnicas de microscopía, microanálisis y difracción de rayos X y los resultados muestran como la aplicación de distintas densidades de corriente durante las electrólisis tienen la capacidad de modular, las características morfológicas, atómicas y cristalográficas de los depósitos. La composición mineralógica del compuesto agregado en el electrodo consta de Mg(OH)2 y CaCO3. Las estructuras cristalinas de tales especies corresponden a la forma brucita, con una textura lisa e homogénea y aragonito con hábito botroidal. Densidades de corriente aplicadas por encima de 1 mA/cm2 generan depósitos con más de un 93% de presencia de brucita además de presentar una cristalografía más amorfa y un progresivo descenso de la eficiencia del proceso con un elevado gasto energético. En cambio, se ha comprobado que es posible modular las características del depósito a obtener con densidades de corriente comprendidas entre 0.01 y 1 mA/cm2, obteniendo una composición del depósito con cantidades de aragonito, textura y morfología óptimas para una futura aplicación con corales.

Cleavage of the C–C Bond in the Ethanol Oxidation Reaction on Platinum. Insight from Experiments and Calculations

Using a combination of experimental and computational methods, mainly FTIR and DFT calculations, new insights are provided here in order to better understand the cleavage of the C–C bond taking place during the complete oxidation of ethanol on platinum stepped surfaces. First, new experimental results pointing out that platinum stepped surfaces having (111) terraces promote the C–C bond breaking are presented. Second, it is computationally shown that the special adsorption properties of the atoms in the step are able to promote the C–C scission, provided that no other adsorbed species are present on the step, which is in agreement with the experimental results. In comparison with the (111) terrace, the cleavage of the C–C bond on the step has a significantly lower activation energy, which would provide an explanation for the observed experimental results. Finally, reactivity differences under acidic and alkaline conditions are discussed using the new experimental and theoretical evidence.

Performance Assessment of a Polymer Electrolyte Membrane Electrochemical Reactor under Alkaline Conditions – A Case Study with the Electrooxidation of Alcohols

A novel polymer electrolyte membrane electrochemical reactor (PEMER) configuration has been employed for the direct electrooxidation of propargyl alcohol (PGA), a model primary alcohol, towards its carboxylic acid derivatives in alkaline medium. The PEMER configuration comprised of an anode and cathode based on nanoparticulate Ni and Pt electrocatalysts, respectively, supported on carbonaceous substrates. The electrooxidation of PGA was performed in 1.0 M NaOH, where a cathode based on a gas diffusion electrode was manufactured for the reduction of oxygen in alkaline conditions. The performance of a novel alkaline anion-exchange membrane based on Chitosan (CS) and Poly(vinyl) alcohol (PVA) in a 50:50 composition ratio doped with a 5 wt.% of poly (4-vinylpyridine) organic ionomer cross-linked, methyl chloride quaternary salt resin (4VP) was assessed as solid polymer electrolyte. The influence of 4VP anionic ionomer loading of 7, 12 and 20 wt.% incorporated into the electrocatalytic layers was examined by SEM and cyclic voltammetry (CV) upon the optimisation of the electroactive area, the mechanical stability and cohesion of the catalytic ink onto the carbonaceous substrate for both electrodes. The performance of the 4VP/CS:PVA membrane was compared with the commercial alkaline anion-exchange membrane FAA −a membrane generally used in direct alcohol alkaline fuel cells- in terms of polarisation plots in alkaline conditions. Furthermore, preparative electrolyses of the electrooxidation of PGA was performed under alkaline conditions of 1 M NaOH at constant current density of 20 mA cm−2 using a PEMER configuration to provide proof of the principle of the feasibility of the electrooxidation of other alcohols in alkaline media. PGA conversion to Z isomers of 3-(2-propynoxy)-2-propenoic acid (Z-PPA) was circa 0.77, with average current efficiency of 0.32. Alkaline stability of the membranes within the PEMER configuration was finally evaluated after the electrooxidation of PGA.

Pencil it in: pencil drawn electrochemical sensing platforms

Inspired by recent reports concerning the utilisation of hand drawn pencil macroelectrodes (PDEs), we report the fabrication, characterisation (physicochemical and electrochemical) and implementation (electrochemical sensing) of various PDEs drawn upon a flexible polyester substrate. Electrochemical characterisation reveals that there are no quantifiable electrochemical responses upon utilising these PDEs with an electroactive analyte that requires an electrochemical oxidation step first, therefore the PDEs have been examined towards the electroactive redox probes hexaammineruthenium(III) chloride, potassium ferricyanide and ammonium iron(II) sulfate. For the first time, characterisation of the number of drawn pencil layers and the grade of pencil are examined; these parameters are commonly overlooked when utilising PDEs. It is demonstrated that a PDE drawn ten times with a 6B pencil presented the most advantageous electrochemical platform, in terms of electrochemical reversibility and peak height/analytical signal. In consideration of the aforementioned limitation, analytes requiring an electrochemical reduction as the first process were solely analysed. We demonstrate the beneficial electroanalytical capabilities of these PDEs towards p-benzoquinone and the simultaneous detection of heavy metals, namely lead(II) and cadmium(II), all of which are explored for the first time utilising PDEs. Initially, the detection limits of this system were higher than desired for electroanalytical platforms, however upon implementation of the PDEs in a back-to-back configuration (in which two PDEs are placed back-to-back sharing a single connection to the potentiostat), the detection limits for lead(II) and cadmium(II) correspond to 10 μg L−1 and 98 μg L−1 respectively within model aqueous (0.1 M HCl) solutions.

Improving the photoactivity of bismuth vanadate thin film photoanodes through doping and surface modification strategies

Currently, one of the most attractive and desirable ways to solve the energy challenge is harvesting energy directly from the sunlight through the so-called artificial photosynthesis. Among the ternary oxides based on earth–abundant metals, bismuth vanadate has recently emerged as a promising photoanode. Herein, BiVO4 thin film photoanodes have been successfully synthesized by a modified metal-organic precursor decomposition method, followed by an annealing treatment. In an attempt to improve the photocatalytic properties of this semiconductor material for photoelectrochemical water oxidation, the electrodes have been modified (i) by doping with La and Ce (by modifying the composition of the BiVO4 precursor solution with the desired concentration of the doping element), and (ii) by surface modification with Au nanoparticles potentiostatically electrodeposited. La and Ce doping at concentrations of 1 and 2 at% in the BiVO4 precursor solution, respectively, enhances significantly the photoelectrocatalytic performance of BiVO4 without introducing important changes in either the material structure or the electrode morphology, according to XRD and SEM characterization. In addition, surface modification of the electrodes with Au nanoparticles further enhances the photocurrent as such metallic nanoparticles act as co-catalysts, promoting charge transfer at the semiconductor/solution interface. The combination of these two complementary ways of modifying the electrodes has resulted in a significant increase in the photoresponse, facilitating their potential application in artificial photosynthesis devices.

Seguimiento del Grado en Geología (Facultad de Ciencias, UA)

La red de trabajo formada por los profesores coordinadores de semestre y de titulación del Grado en Geología (Facultad de Ciencias, Universidad de Alicante) ha tenido como objetivos principales: afianzar la implementación de las enseñanzas conforme al contenido del plan de estudios del título verificado; elaborar planes de mejora para solventar las posibles deficiencias detectadas y colaborar con los instrumentos del Sistema de Garantía Interno de Calidad (SGIC) del centro en la elaboración de los informes de autoevaluación del título. El método de trabajo se basa en reuniones en las que los miembros de la red plantearán y debatirán los parámetros e indicadores de seguimiento de la red, en la que cada investigador (coordinador) aporta una investigación individualizada del semestre del que es responsable. Ante la inminente acreditación del título el próximo curso, buena parte de las tareas se han enfocado a colaborar en los informes de auto-evaluación del título y en los planes de mejora.

Estudios experimentales y teóricos de materiales y su optimización para uso como electrodos de baterías de ión-litio.

El presente proyecto se enmarca en el contexto del desarrollo de vectores de energía, particularmente aquellos destinados a almacenar la energía captada desde fuentes alternativas y sustentables, como son las energías eólica y solar, entre otras. Uno de los vectores de energía actualmente más importante lo constituyen las baterías de ión-Litio, las que por sus características de pequeño tamaño, alta densidad de energía y potencia, y larga ciclabilidad, son ampliamente utilizadas para alimentar todos los dispositivos electrónicos de pequeño tamaño (teléfonos móviles, notebooks, etc.). Este tipo de batería es, hasta el momento, la única que puede satisfacer la demanda de voltaje e intensidad de corriente, junto con bajo peso y volumen, del motor de un vehículo eléctrico, por lo que se espera un gran crecimiento de su demanda cuando comience la consolidación del mercado de este tipo de vehículos. Sin embargo, esto sólo será posible con importantes mejoras en los materiales activos que componen ambos electrodos, ánodo y cátodo, y/o con el desarrollo de nuevos materiales activos, que incrementen aun más la densidad de energía almacenada en dichas batería. En la Universidad Nacional de Córdoba hemos constituido un grupo de trabajo abocado a la investigación y desarrollo de materiales activos para ser utilizados como electrodos en este tipo de baterías, un área de investigación que concentra cada vez más la atención de científicos y tecnólogos en todo el mundo, particularmente, de países líderes del sector de electrónica y automotriz. Entre los objetivos del proyecto se pueden mencionar la intención de desarrollar capacidades científicas y técnicas en aspectos de investigación básica y tecnológica de sistemas electroquímicos de almacenamiento de energía, mediante la instalación de un laboratorio de síntesis, caracterización, investigación y ensayo de materiales activos para electrodos de baterías de ión-Litio. Específicamente, se llevará adelante la preparación y estudio electroquímico de materiales de ánodo en base a diferentes tipos de carbonos, de diferentes compuestos de titanatos de metales alcalinos, y de materiales de cátodo en base a diferentes tipos de compuestos de espinelas de fosfato de M-Litio, donde M puede ser Fe, Mn, Ni, Co o mezclas, y el ensayo posterior de celdas prototipo. La metodología de trabajo a aplicar es la del estado-del-arte a nivel mundial, que consiste en las etapas de síntesis, caracterización y estudio de funcionamiento de diferentes tipos de materiales activos para electrodos (ánodo o cátodo) de baterías de ión-Litio. Los procesos de síntesis comprenderán métodos por vía seca desde precursores adecuados (tratamientos térmicos) o por vía húmeda (hidrotermal, sol-gel). La caracterización física, química, estructural y morfológica abarcará la aplicación de técnicas de análisis de área específica y porosidad por método BET, microscopías SEM y TEM, análisis químico EDX, difracción de rayos X, espectroscopías XPS y Raman, y RMN, entre otras. Los estudios electroquímicos se llevarán a cabo utilizando técnicas potenciodinámicas, de multipulsos de potencial, galvanostáticas a diferentes densidades de corriente, espectroscopía de impedancia electroquímica y de ciclados de carga/descarga. Con la ejecución del proyecto se espera obtener materiales activos para electrodos de baterías de ión-Litio que cumplan con características tales como: alta capacidad de carga, adecuada densidad de potencia, alto grado de ciclabilidad, alto grado de seguridad, alta resistencia al envejecimiento, tanto estático como dinámico, y bajo costo del material. Teniendo en cuenta la inminente crisis en la producción mundial de combustibles fósiles líquidos, la necesidad de mudar la tecnología de vehículos actuales a la de vehículos eléctricos, y la disponibilidad nacional de recursos minerales de litio, la importancia del proyecto es directa para avanzar hacia un desarrollo tecnológico regional propio e independiente.

NANO(BIO)SENSORES ELECTROQUIMICOS Y PLASMÓNICOS: DISEÑO, CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES PARA LA CUANTIFICACION DE BIOMARCADORES DE ALTO IMPACTO

En Argentina, en consonancia con el resto del mundo, la Nanotecnología es considerada un área estratégica. Sin embargo, las investigaciones en Nanobiotecnología todavía constituyen un área de vacancia. El uso de nanomateriales para desarrollar plataformas bioanalíticas que permitan la construcción de biosensores ofrece múltiples ventajas y una promisoria perspectiva de aplicación en diversas áreas. En la actualidad, los laboratorios de análisis clínicos, la industria farmacéutica y alimentaria, y los laboratorios de control bromatológico y ambiental requieren de metodologías analíticas que proporcionen resultados exactos, reproducibles, rápidos, sensibles y selectivos empleando pequeños volúmenes de muestra, con un mínimo consumo de reactivos y una producción de deshechos limpia y escasa. Las investigaciones en nanobiosensores se encuentran dirigidas hacia el logro de estas metas. Uno de los grandes desafíos es lograr biosensores miniaturizados con potencialidad para el desarrollo de dispositivos de medición descentralizada (“point of care”) y la detección simultánea de multianalitos. Aún cuando se han hecho innumerables desarrollos en los casi 50 años de vida de los biosensores, todavía hay numerosos interrogantes por dilucidar. La modificación con nanomateriales juega un rol preponderante en los transductores tanto en los electroquímicos como en los plasmónicos. El uso de películas delgadas de Au para SPR modificadas con grafeno u óxido de grafeno, es un campo de una enorme potencialidad y sin embargo es muy poco explotado, por lo que reviste gran importancia. En lo referido a la capa de biorreconocimiento, se trabajará con moléculas capaces de establecer interacciones de bioafinidad, como los anticuerpos y también moléculas que son muy poco usadas en nuestro país y en Latinoamérica como ADN, aptámeros, PNA y lectinas. RESUMEN: El Objetivo general de este proyecto es desarrollar nuevas plataformas bioanalíticas para la detección de diferentes eventos de bioafinidad a partir de la integración de transductores electroquímicos (EQ) y plasmónicos con materiales nanoestructurados (nanotubos de carbono, nanoláminas de grafeno, nanoalambres metálicos); biomoléculas (ADN, “peptide nucleic acid” (PNA), aptámeros, anticuerpos, lectinas) y polímeros funcionalizados con moléculas bioactivas. Las arquitecturas supramoleculares resultantes estarán dirigidas al desarrollo de biosensores EQ y plasmónicos para la cuantificación de biomarcadores de relevancia clínica y medioambiental. Se funcionalizarán CNT, grafeno, óxido de grafeno, nanoalambres metálicos empleando homopéptidos y proteínas con alta afinidad por cationes metálicos, los que se integrarán a transductores de carbono y oro y biomoléculas de reconocimiento capaces de formar complejos de afinidad (antígeno-anticuerpo, aptámero-molécula blanco, ADN-ADN, PNA-ADN, lectinas-hidratos de carbono, ligandos-cationes metálicos y avidina-biotina). Se sintetizarán y caracterizarán nuevos monómeros y polímeros funcionalizados con moléculas bioactivas y/o grupos rédox empleando diferentes rutas sintéticas. Se desarrollarán genosensores para la detección del evento de hibridación de secuencias de interés médico (cáncer de colon y de mama, tuberculosis); aptasensores para la detección de marcadores proteicos de T. cruzi, enfermedades cardiovasculares y contaminantes catiónicos; inmunosensores para la detección de biomarcadores proteicos relacionados con enfermedades cardiovasculares y cáncer; y biosensores de afinidad con lectinas para la detección de hidratos de carbono. La caracterización de las plataformas y las señales analíticas se obtendrán empleando las siguientes técnicas: voltamperometrías cíclica, de pulso diferencial y de onda cuadrada; stripping; resonancia de plasmón superficial; espectroscopía de impedancia electroquímica; microscopías de barrido electroquímico, SEM, TEM, AFM,SNOM, espectroscopías: UV-vis, FTIR,Raman;RMN, TGA y DSC.

Traité d'électricité et de magnetisme, et des applications de ces sciences a la chimie, a la physiologie et aux arts.

Mode of access: Internet.

[Importancia de la teoría electro-química] : discurso leido ante el claustro de la Universidad Central en el acto de investidurade doctor en Ciencias Físicas /

Tesis doctoral Univ. Central, 1865.

Propriedades electroquímicas dos sesquióxidos com estrutura cúbica tipo-C

Doutoramento em Ciência e Engenharia dos Materiais

Redução do Impacto Ambiental de Poluentes Orgânicos Persistentes

Nos dias de hoje a contaminação dos solos e águas subterrâneas com pesticidas através da agricultura tornou-se um problema. Problema este, considerado ainda maior nas áreas onde o abastecimento de água potável é quase totalmente à base de água subterrânea, causando deste modo risco para a saúde humana devido à exposição directa de possíveis resíduos de pesticidas na água potável. É certo que a persistência dos pesticidas no solo é importante para obter um bom controlo sob as ervas daninhas durante a sua época de crescimento, contudo o uso desses pesticidas contamina não só o solo como as águas superficiais. As questões acerca do uso de pesticidas na actualidade continuarão a persistir, uma vez que existem muitos factores e características inerentes a este processo que necessitam de ser abordadas e mais importante que isso estudadas, como por exemplo a sua degradação e toxicidade. Neste trabalho efectuou-se o encapsulamento de pesticidas em moléculas de β – ciclodextrina (β-CD). O que se pretende com este encapsulamento, é aumentar a hidrofilicidade do pesticida de forma a garantir que este persista o tempo suficiente permitindo um bom controlo das ervas daninhas, tendo sempre em conta as preocupações inerentes ao uso dos pesticidas, como por exemplo a dificuldade de biodegradação. O estudo centrou-se em torno de dois dos pesticidas mais utilizados em Portugal: MCPA e Bentazona. Estes herbicidas foram encapsulados individualmente na β-CD formando assim complexos, mais solúveis e eventualmente mais estáveis quimicamente garantindo uma redução dos efeitos dos pesticidas no meio ambiente. Este estudo foi dividido essencialmente em duas partes: a síntese e caracterização dos complexos pesticida-β-CD e posteriormente a avaliação da estabilidade química em solução aquosa e da solubilidade dos complexos formados. A utilização de diversas técnicas analíticas nomeadamente DSC, FTIR, Espectrofotometria de UV, HPLC e Electroquímica permitiram concluir que o pesticida MCPA encapsula pela acção da β-CD aquando do complexo formado em solução etanólica e numa proporção estequiométrica MCPA:β-CD de 1:2 respectivamente. Obteve-se para as várias soluções estudadas, todas elas com concentrações diferentes de β-CD, uma constante de estabilidade de 102,4. No caso da Bentazona, os resultados preliminares obtidos indiciam claramente a formação de um complexo com a β-CD para o complexo formado em solução etanólica.