Direct Access to Oxidation-Resistant Nickel Catalysts through an Organometallic Precursor

The synthesis of nickel catalysts for industrial applications is relatively simple; however, nickel oxidation is usually difficult to avoid, which makes it challenging to optimize catalytic activities, metal loadings, and high-temperature activation steps. A robust, oxidation-resistant and very active nickel catalyst was prepared by controlled decomposition of the organometallic precursor [bis(1,5-cyclooctadiene)nickel(0)], Ni(COD)(2), over silica-coated magnetite (Fe3O4@SiO2). The sample is mostly Ni(0), and surface oxidized species formed after exposure to air are easily reduced in situ during hydrogenation of cyclohexene under mild conditions recovering the initial activity. This unique behavior may benefit several other reactions that are likely to proceed via Ni heterogeneous catalysis.

Recent Advances in the Development of Magnetically Recoverable Metal Nanoparticle Catalysts

The aim of this Account is to provide an overview of our current research activities on the design and modification of superparamagnetic nanomaterials for application in the field of magnetic separation and catalysis. First, an introduction of magnetism and magnetic separation is done. Then, the synthetic strategies that have been developed for generating superparamagnetic nanoparticles spherically coated by silica and other oxides, with a focus on well characterized systems prepared by methods that generate samples of high quality and easy to scale- up, are discussed. A set of magnetically recoverable catalysts prepared in our research group by the unique combination of superparamagnetic supports and metal nanoparticles is highlighted. This Account is concluded with personal remarks and perspectives on this research field.

EFFECTS OF ADDING LANTHANUM TO Ni/ZrO2 CATALYSTS ON ETHANOL STEAM REFORMING

EFFECTS OF ADDING LANTHANUM TO Ni/ZrO2 CATALYSTS ON ETHANOL STEAM REFORMING. The catalytic performance of Ni/ZrO2 catalysts loaded with different lanthanum content for steam reforming of ethanol was investigated. Catalysts were characterized by BET surface area, X-ray diffraction, UV-vis spectroscopy, temperature programmed reduction, and X-ray absorption fine structure techniques. Results showed that lanthanum addition led to an increase in the degree of reduction of both NiO and nickel surface species interacting; with the support, due to the higher dispersion effect. The best catalytic performance at 450 degrees C was found for the Ni/2LZ catalyst, which exhibited an effluent gaseous mixture with the highest H-2 yield.

Ethanol steam reforming over rhodium and cobalt-based catalysts: Effect of the support

The effect of support on the properties of rhodium and cobalt-based catalysts for ethanol steam reforming was studied in this work, by comparing the use of magnesia, alumina and Mg-Al oxide (obtained from hydrotalcite) as supports. It was found that metallic rhodium particles with around 2.4-2.6 nm were formed on all supports, but Mg-Al oxide led to the narrowest particles size distribution; cobalt was supposed to be located on the support, affecting its acidity. Rhodium interacts strongly with the support in the order: alumina> Mg-Al oxide > magnesia. The magnesium-containing catalysts showed low ethene selectivity and high hydrogen selectivity while the alumina-based ones showed high ethene selectivity, assigned to the Lewis sites of alumina. The Mg-Al oxide-supported rhodium and cobalt catalyst was the most promising sample to produce hydrogen by ethanol reforming, showing the highest hydrogen yield, low ethene selectivity and high specific surface area during reaction. Copyright (C) 2011, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Analysis of the color alteration and radiopacity promoted by bismuth oxide in calcium silicate cement

The aim of the study was to determine if the increase in radiopacity provided by bismuth oxide is related to the color alteration of calcium silicate-based cement. Calcium silicate cement (CSC) was mixed with 0%, 15%, 20%, 30% and 50% of bismuth oxide (BO), determined by weight. Mineral trioxide aggregate (MTA) was the control group. The radiopacity test was performed according to ISO 6876/2001. The color was evaluated using the CIE system. The assessments were performed after 24 hours, 7 and 30 days of setting time, using a spectrophotometer to obtain the ΔE, Δa, Δb and ΔL values. The statistical analyses were performed using the Kruskal-Wallis/Dunn and ANOVA/ Tukey tests (p < 0.05). The cements in which bismuth oxide was added showed radiopacity corresponding to the ISO recommendations ( > 3 mm equivalent of Al). The MTA group was statistically similar to the CSC / 30% BO group (p > 0.05). In regard to color, the increase of bismuth oxide resulted in a decrease in the ΔE value of the calcium silicate cement. The CSC group presented statistically higher ΔE values than the CSC / 50% BO group (p < 0.05). The comparison between 24 hours and 7 days showed higher ΔE for the MTA group, with statistical differences for the CSC / 15% BO and CSC / 50% BO groups (p < 0.05). After 30 days, CSC showed statistically higher ΔE values than CSC / 30% BO and CSC / 50% BO (p < 0.05). In conclusion, the increase in radiopacity provided by bismuth oxide has no relation to the color alteration of calcium silicate-based cements.

Structural and reduction studies of ZrO2-CeO2:Ni for application in SOFC anodes.

Zirconia-ceria solid-solutions are extensively used as promoters for three-way catalysts, which are applied in the control of NOx, CO and hydrocarbons emission from automotive exhausts. In addition, thesematerials can be used as anodes in solid oxide fuel cells (SOFCs) operated with hydrocarbons. There areonly few works on ZrO2-CeO2 ordered mesoporous materials for catalytic applications and for anodes inSOFCs. The interest in these anodes relies on the fact that ZrO2-CeO2materials are mixed ionic/electronic conductors in reducing atmosphere and, therefore, fuel oxidation is produced on its entire surface, while it only occurs in the [anode/electrolyte/gas] interface (triple-phase boundaries) for electronic conductors. In this work, a synthesis method was developed usingZr and Ce chloride precursors, HCl aqueous solution, Pluronic P123 as the structure directing agent, NH4OH to adjust the pH (3-4) and a Teflon autoclave to perform hydrothermal treatment (80ºC/48 hours). The samples were dried and calcined, until 540ºC in N2and 4 hours in air. The X-ray diffraction data showed that powders with higher CeO2 content are formed by a larger fraction of the cubic CeO2 phase, while for a lower CeO2content the major crystalline structure is the tetragonal ZrO2 phase. The NiO impregnation was made with an ethanol dispersion of Ni(NO3)×6H2O. The resulting powder was calcinated in air until 350ºC for 2 hours. Temperature-programmed reduction (TPR) data were collected in order to evaluate the reduction profiles of ZrO2-x%CeO2:Ni samples in H2/Ar atmosphere. Results showed lower reduction temperatures for all ceria content in samples comparing to a NiO standard.

Cluster-derived Gold/Iron catalysts for environmental applications

During the last years we assisted to an exponential growth of scientific discoveries for catalysis by gold and many applications have been found for Au-based catalysts. In the literature there are several studies concerning the use of gold-based catalysts for environmental applications and good results are reported for the catalytic combustion of different volatile organic compounds (VOCs). Recently it has also been established that gold-based catalysts are potentially capable of being effectively employed in fuel cells in order to remove CO traces by preferential CO oxidation in H2-rich streams. Bi-metallic catalysts have attracted increasing attention because of their markedly different properties from either of the costituent metals, and above all their enhanced catalytic activity, selectivity and stability. In the literature there are several studies demostrating the beneficial effect due to the addition of an iron component to gold supported catalysts in terms of enhanced activity, selectivity, resistence to deactivation and prolonged lifetime of the catalyst. In this work we tried to develop a methodology for the preparation of iron stabilized gold nanoparticles with controlled size and composition, particularly in terms of obtaining an intimate contact between different phases, since it is well known that the catalytic behaviour of multi-component supported catalysts is strongly influenced by the size of the metal particles and by their reciprocal interaction. Ligand stabilized metal clusters, with nanometric dimensions, are possible precursors for the preparation of catalytically active nanoparticles with controlled dimensions and compositions. Among these, metal carbonyl clusters are quite attractive, since they can be prepared with several different sizes and compositions and, moreover, they are decomposed under very mild conditions. A novel preparation method was developed during this thesis for the preparation of iron and gold/iron supported catalysts using bi-metallic carbonyl clusters as precursors of highly dispersed nanoparticles over TiO2 and CeO2, which are widely considered two of the most suitable supports for gold nanoparticles. Au/FeOx catalysts were prepared by employing the bi-metallic carbonyl cluster salts [NEt4]4[Au4Fe4(CO)16] (Fe/Au=1) and [NEt4][AuFe4(CO)16] (Fe/Au=4), and for comparison FeOx samples were prepared by employing the homometallic [NEt4][HFe3(CO)11] cluster. These clusters were prepared by Prof. Longoni research group (Department of Physical and Inorganic Chemistry- University of Bologna). Particular attention was dedicated to the optimization of a suitable thermal treatment in order to achieve, apart from a good Au and Fe metal dispersion, also the formation of appropriate species with good catalytic properties. A deep IR study was carried out in order to understand the physical interaction between clusters and different supports and detect the occurrence of chemical reactions between them at any stage of the preparation. The characterization by BET, XRD, TEM, H2-TPR, ICP-AES and XPS was performed in order to investigate the catalysts properties, whit particular attention to the interaction between Au and Fe and its influence on the catalytic activity. This novel preparation method resulted in small gold metallic nanoparticles surrounded by highly dispersed iron oxide species, essentially in an amorphous phase, on both TiO2 and CeO2. The results presented in this thesis confirmed that FeOx species can stabilize small Au particles, since keeping costant the gold content but introducing a higher iron amount a higher metal dispersion was achieved. Partial encapsulation of gold atoms by iron species was observed since the Au/Fe surface ratio was found much lower than bulk ratio and a strong interaction between gold and oxide species, both of iron oxide and supports, was achieved. The prepared catalysts were tested in the total oxidation of VOCs, using toluene and methanol as probe molecules for aromatics and alchols, respectively, and in the PROX reaction. Different performances were observed on titania and ceria catalysts, on both toluene and methanol combustion. Toluene combustion on titania catalyst was found to be enhanced increasing iron loading while a moderate effect on FeOx-Ti activity was achieved by Au addition. In this case toluene combustion was improved due to a higher oxygen mobility depending on enhanced oxygen activation by FeOx and Au/FeOx dispersed on titania. On the contrary ceria activity was strongly decreased in the presence of FeOx, while the introduction of gold was found to moderate the detrimental effect of iron species. In fact, excellent ceria performances are due to its ability to adsorb toluene and O2. Since toluene activation is the determining factor for its oxidation, the partial coverage of ceria sites, responsible of toluene adsorption, by FeOx species finely dispersed on the surface resulted in worse efficiency in toluene combustion. Better results were obtained for both ceria and titania catalysts on methanol total oxidation. In this case, the performances achieved on differently supported catalysts indicate that the oxygen mobility is the determining factor in this reaction. The introduction of gold on both TiO2 and CeO2 catalysts, lead to a higher oxygen mobility due to the weakening of both Fe-O and Ce-O bonds and consequently to enhanced methanol combustion. The catalytic activity was found to strongly depend on oxygen mobility and followed the same trend observed for catalysts reducibility. Regarding CO PROX reaction, it was observed that Au/FeOx titania catalysts are less active than ceria ones, due to the lower reducibility of titania compared to ceria. In fact the availability of lattice oxygen involved in PROX reaction is much higher in the latter catalysts. However, the CO PROX performances observed for ceria catalysts are not really high compared to data reported in literature, probably due to the very low Au/Fe surface ratio achieved with this preparation method. CO preferential oxidation was found to strongly depend on Au particle size but also on surface oxygen reducibility, depending on the different oxide species which can be formed using different thermal treatment conditions or varying the iron loading over the support.

Spin polarized transport in manganese oxide double-perovskite thin films

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung von metallischen gemischtvalenten Manganaten und magnetischen Doppelperowskiten. Aufgrund ihres großen negativen Magnetowiderstandes (MW) sind diese halbmetallischen Oxide interessant für mögliche technische Anwendungen, z.B. als Leseköpfe in Festplatten. Es wurden die kristallographischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von epitaktischen Dünnschichten und polykristallinen Pulverproben bestimmt.Epitaktische Dünnschichten der Verbindungen La_0.67Ca_0.33MnO₃ und La_0.67Sr_0.33MnO₃ wurdenmit Kaltkathodenzerstäubung und Laserablation auf einkristallinen Substraten wie SrTiO₃abgeschieden. Mit Hall-Effekt Messungen wurde ein Zusammenbruch der Ladungsträgerdichte bei der Curie-Temperatur T_C beobachtet.Mit dem Wechsel des Dotierungsatoms A von Ca (T_C=232 K) zu Sr (T_C=345 K)in La_0.67A_0.33MnO₃ konnte die Feldsensitivität des Widerstandes bei Raumtemperatur gesteigert werden. Um die Sensitivität weiter zu erhöhen wurde die hohe Spinpolarisation von nahezu 100% in Tunnelexperimenten ausgenutzt. Dazu wurden biepitaktische La_0.67Ca_0.33MnO₃ Schichten auf SrTiO₃ Bikristallsubstraten hergestellt. Die Abhängigkeit des Tunnelmagnetowiderstandes (TMW) vom magnetischen Feld, Temperatur und Strum war ein Schwerpunkt der Untersuchung. Mittels spinpolarisierten Tunnelns durch die künstliche Korngrenze konnte ein hysteretischer TMW von 70% bei 4 K in kleinen Magnetfeldern von 120 Oe gemessen werden. Eine weitere magnetische Oxidverbindung, der Doppelperowskit Sr₂FeMoO₆ miteine Curie-Temperatur oberhalb 400 K und einem großen MW wurde mittels Laserablation hergestellt. Die Proben zeigten erstmals das Sättigunsmoment, welches von einer idealen ferrimagnetischen Anordnung der Fe und Mo Ionen erwartet wird. Mit Hilfe von Magnetotransportmessungen und Röntgendiffraktometrie konnte eine Abhängigkeit zwischen Kristallstruktur (Ordnung oder Unordnung im Fe, Mo Untergitter) und elektronischem Transport (metallisch oder halbleitend) aufgedeckt werden.Eine zweiter Doppelperowskit Ca₂FeReO₆ wurde im Detail als Pulverprobe untersucht. Diese Verbindung besitzt die höchste Curie-Temperatur von 540 K, die bis jetzt in magnetischen Perowskiten gefunden wurde. Mit Neutronenstreuung wurde eine verzerrte monoklinische Struktur und eine Phasenseparation aufgedeckt.

New reactants and improved catalysts for maleic anhydride synthesis

The role of the amount of Nb, used as a dopant for VPP, and how its presence may affect the generation of the active and selective δ-VOPO4 at the VPP surface under reaction conditions, was investigated, employing ex-situ and in-situ characterisation techniques. We found that Nb indeed may favour, under specific conditions, the generation of the desired δ-VOPO4 compound; however, its effect of enhancement of catalytic behaviour was not simply proportional to its concentration. In order to better understand how Nb may affect the generation of the active phase, we prepared V/Nb mixed phosphates; the formation of a solid solution was possible only under specific conditions, with a limited reciprocal dissolution of the two elements. We concluded that even though the incorporation of small amounts of Nb5+ in the VOPO4 (and also of V5+ in NbOPO4) cannot be excluded, a phenomenon which might favour the generation of the desired δ-VOPO4 compound, however the main role of Nb5+ was related to a modification of the redox properties of V4+ in the VPP, and specifically of the redox potential associated to the couple V4+/V5+. This led to a catalyst that during reaction was more oxidized than the corresponding undoped VPP, which under specific reaction conditions allowed obtain a better selectivity to MA. Oppositely, an excessive oxidation of VPP (catalysts having high [Nb]) affected negatively the MA selectivity, because of the excessive formation of COx. A preliminary study regarding the oxidehydration of 1-butanol into MA was carried out testing various catalysts: the best catalyst resulted VPP; however the MA selectivity was lower than that obtained from n-butane. With in-situ/operando Raman study of the Nb-doped and undoped catalysts we verified that the redox cycle involves the VPP and the δ-VOPO4 compounds, that the reoxidation step of V4+ in VPP is the rate-determining one.

In-situ DRIFT/MS study of the conversion of ethanol on mixed Mg/Si oxides

Due to the high price of natural oil and harmful effects of its usage, as the increase in emission of greenhouse gases, the industry focused in searching of sustainable types of the raw materials for production of chemicals. Ethanol, produced by fermentation of sugars, is one of the more interesting renewable materials for chemical manufacturing. There are numerous applications for the conversion of ethanol into commodity chemicals. In particular, the production of 1,3-butadiene whose primary source is ethanol using multifunctional catalysts is attractive. With the 25% of world rubber manufacturers utilizing 1,3-butadiene, there is an exigent need for its sustainable production. In this research, the conversion of ethanol in one-step process to 1,3-butadiene was studied. According to the literature, the mechanisms which were proposed to explain the way ethanol transforms into butadiene require to have both acid and basic sites. But still, there are a lot of debate on this topic. Thus, the aim of this research work is a better understanding of the reaction pathways with all the possible intermediates and products which lead to the formation of butadiene from ethanol. The particular interests represent the catalysts, based on different ratio Mg/Si in comparison to bare magnesia and silica oxides, in order to identify a good combination of acid/basic sites for the adsorption and conversion of ethanol. Usage of spectroscopictechniques are important to extract information that could be helpful for understanding the processes on the molecular level. The diffuse reflectance infrared spectroscopy coupled to mass spectrometry (DRIFT-MS) was used to study the surface composition of the catalysts during the adsorption of ethanol and its transformation during the temperature program. Whereas, mass spectrometry was used to monitor the desorbed products. The set of studied materials include MgO, Mg/Si=0.1, Mg/Si=2, Mg/Si=3, Mg/Si=9 and SiO2 which were also characterized by means of surface area measurements.

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Oxide thermoelectrics via a glass-ceramic route

Thermoelektrizität beschreibt die reversible Beeinflussung und Wechselwirkung von Elektrizität und Temperatur T in Systemen abseits des thermischen Gleichgewichtes. In diesen führt ein Temperaturgradient entlang eines thermoelektrischen Materials zu einem kontinuierlichen Ungleichgewicht in der Energieverteilung der Ladungsträger. Dies hat einen Diffusionsstrom der energiereichen Ladungsträger zum kalten Ende und der energiearmen Ladungsträger zum heißen Ende zur Folge. Da in offenen Stromkreisen kein Strom fließt, wird ein Ungleichgewicht der Ströme über das Ausbilden eines elektrischen Feldes kompensiert. Die dadurch entstehende Spannung wird als Seebeck Spannung bezeichnet. Über einen geeigneten Verbraucher, folgend aus dem Ohm'schen Gesetz, kann nun ein Strom fließen und elektrische Energie gewonnen werden. Den umgekehrten Fall beschreibt der sogenannte Peltier Effekt, bei dem ein Stromfluss durch zwei unterschiedliche miteinander verbundene Materialien ein Erwärmen oder Abkühlen der Kontaktstelle zur Folge hat. Die Effizienz eines thermoelektrischen Materials kann über die dimensionslose Größe ZT=S^2*sigma/kappa*T charakterisiert werden. Diese setzt sich zusammen aus den materialspezifischen Größen der elektrischen Leitfähigkeit sigma, der thermischen Leitfähigkeit kappa und dem Seebeck Koeffizienten S als Maß der erzeugten Spannung bei gegebener Temperaturdifferenz. Diese Arbeit verfolgt den Ansatz glaskeramische Materialien mit thermoelektrischen Kristallphasen zu synthetisieren, sie strukturell zu charakterisieren und ihre thermoelektrischen Eigenschaften zu messen, um eine Struktur-Eigenschaft Korrelation zu erarbeiten. Hierbei werden im Detail eine elektronenleitende (Hauptphase SrTi_xNb_{1-x}O_3) sowie eine löcherleitende Glaskeramik (Hauptphase Bi_2Sr_2Co_2O_y) untersucht. Unter dem Begriff Glaskeramiken sind teilkristalline Materialien zu verstehen, die aus Glasschmelzen durch gesteuerte Kristallisation hergestellt werden können. Über den Grad der Kristallisation und die Art der ausgeschiedenen Spezies an Kristallen lassen sich die physikalischen Eigenschaften dieser Systeme gezielt beeinflussen. Glaskeramiken bieten, verursacht durch ihre Restglasphase, eine niedrige thermische Leitfähigkeit und die Fermi Energie lässt sich durch Dotierungen in Richtung des Leitungs- oder Valenzbands verschieben. Ebenso besitzen glaskeramische Materialien durch ihre Porenfreiheit verbesserte mechanische Eigenschaften gegenüber Keramiken und sind weniger anfällig für den Einfluss des Sauerstoffpartialdruckes p_{O_2} auf die Parameter. Ein glaskeramisches und ein gemischt keramisch/glaskeramisches thermoelektrisches Modul aus den entwickelten Materialien werden konzipiert, präpariert, kontaktiert und bezüglich ihrer Leistung vermessen.

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

Methodical study of nitrous oxide eddy covariance measurements using quantum cascade laser spectrometery over a Swiss forest

Nitrous oxide fluxes were measured at the Lägeren CarboEurope IP flux site over the multi-species mixed forest dominated by European beech and Norway spruce. Measurements were carried out during a four-week period in October–November 2005 during leaf senescence. Fluxes were measured with a standard ultrasonic anemometer in combination with a quantum cascade laser absorption spectrometer that measured N2O, CO2, and H2O mixing ratios simultaneously at 5 Hz time resolution. To distinguish insignificant fluxes from significant ones it is proposed to use a new approach based on the significance of the correlation coefficient between vertical wind speed and mixing ratio fluctuations. This procedure eliminated roughly 56% of our half-hourly fluxes. Based on the remaining, quality checked N2O fluxes we quantified the mean efflux at 0.8±0.4 μmol m−2 h−1 (mean ± standard error). Most of the contribution to the N2O flux occurred during a 6.5-h period starting 4.5 h before each precipitation event. No relation with precipitation amount could be found. Visibility data representing fog density and duration at the site indicate that wetting of the canopy may have as strong an effect on N2O effluxes as does below-ground microbial activity. It is speculated that above-ground N2O production from the senescing leaves at high moisture (fog, drizzle, onset of precipitation event) may be responsible for part of the measured flux.

Neurotoxicity of glia activated by gram-positive bacterial products depends on nitric oxide production

The present study examined the mechanism by which bacterial cell walls from two gram-positive meningeal pathogens, Streptococcus pneumoniae and the group B streptococcus, induced neuronal injury in primary cultures of rat brain cells. Cell walls from both organisms produced cellular injury to similar degrees in pure astrocyte cultures but not in pure neuronal cultures. Cell walls also induced nitric oxide production in cultures of astrocytes or microglia. When neurons were cultured together with astrocytes or microglia, the cell walls of both organisms became toxic to neurons. L-NAME, a nitric oxide synthase inhibitor, protected neurons from cell wall-induced toxicity in mixed cultures with glia, as did dexamethasone. In contrast, an excitatory amino acid antagonist (MK801) had no effect. Low concentrations of cell walls from either gram-positive pathogen added together with the excitatory amino acid glutamate resulted in synergistic neurotoxicity that was inhibited by L-NAME. The induction of nitric oxide production and neurotoxicity by cell walls was independent of the presence of serum, whereas endotoxin exhibited these effects only in the presence of serum. We conclude that gram-positive cell walls can cause toxicity in neurons by inducing the production of nitric oxide in astrocytes and microglia.