Low loading platinum nanoparticles on reduced graphene oxide-supported tungsten carbide crystallites as a highly active electrocatalyst for methanol oxidation

In this study, low loading platinum nanoparticles (Pt NPs) have been highly dispersed on reduced graphene oxide-supported WC nanocrystallites (Pt-WC/RGO) via program-controlled reduction-carburization technique and microwave-assisted method. The scanning electron microscopy and transmission electron microscopy results show that WC nanocrystallites are homogeneously decorated on RGO, and Pt NPs with a size of ca. 3 nm are dispersed on both RGO and WC. The prepared Pt-WC/RGO is used as an electrocatalyst for methanol oxidation reaction (MOR). Compared with the Pt/RGO, commercial carbon-supported Pt (Pt/C) and PtRu alloy (PtRu/C) electrocatalysts, the Pt-WC/RGO composites demonstrate higher electrochemical active surface area and excellent electrocatalytic activity toward the methanol oxidation, such as better tolerance toward CO, higher peak current density, lower onset potential and long-term stability, which could be attributed to the characterized RGO support, highly dispersed Pt NPs and WC nanocrystallites and the valid synergistic effect resulted from the increased interface between WC and Pt. The present work proves that Pt-WC/RGO composites could be a promising alternative catalyst for direct methanol fuel cells where WC plays the important role as a functional additive in preparing Pt-based catalysts because of its CO tolerance and lower price. 

Assessing the greenness of some typical laboratory ionic liquid preparations

The greenness, or lack thereof, of various ionic liquid syntheses and purification methodologies are assessed using a common tool used in strategic planning viz. strengths weaknesses opportunities threats (SWOT) analysis, including their adherence to the twelve principles of green chemistry, % atom economies and E-factors.

Ionothermal Syntheses of Nano- and Microstructured Ternary Copper–Indium–Chalcogenides

Ternary compounds of copper indium selenide nano- and microsized materials were prepared through colloidal synthesis using an indium(III) selenide precursor and copper(I) chloride via a microwave-assisted ionothermal route. The indium(III) selenide precursor used in the reaction was formed in situ from a diphenyl diselenide precursor and chloroindate(III) ionic liquids (ILs), also via a microwave-assisted ionothermal route. The crystal structures of three intermediates, namely, CuCl2(OMe)2(H2O)){Cu(PhSeO2)2}n, [CuCl(Se2Ph2)2]n, and [C8mim]3{Cu(I)Cl2Cu(II)OCl8}n, were determined after formation through a ionothermal procedure utilizing metal-containing imidazolium ILs and a selenium precursor with conventional heating. Herein, we compare the use of microwave irradiation over conventional heating with different ILs on the stoichiometry of the resulting products. The influence of the reaction temperature, reaction time, order of addition of reagents, and variation of ILs, which were characterized using PXRD, SEM, and EDX, on the final products was investigated.

Lanthanide-organic frameworks for optical and catalytic applications

Este projecto de doutoramento tem como objetivo isolar e caracterizar sistematicamente novos polímeros de coordenação, no estado sólido. A presença de grupos rígidos possuindo, em particular, átomos de oxigénio e de azoto, deverá induzir interessantes propriedades fotoluminescentes (rendimentos quânticos e tempos de vida elevados, assim como vias de transferência de energia eficientes), que poderão permitir a utilização dos compostos poliméricos na produção de dispositivos funcionais. As diferentes abordagens sintéticas foram ajustadas para cada material e basearam-se, preferencialmente, nas sínteses hidrotérmicas e nas assistidas por radiação de microondas. A estrutura dos materiais foi elucidada a partir de métodos de difracção de raios X (de cristal único ou de pós) em conjunto com outras técnicas, tais como RMN de estado sólido, microscopia eletrónica, análises térmicas, espectroscopia vibracional e estudos de composição elementar. Os compostos microcristalinos foram sistematicamente estudados a fim de investigar outras propriedades além das de fotoluminescência. Alguns dos materiais revelaram multifuncionalidade apresentando simultaneamente tempos de vida na ordem dos milisegundos, elevados rendimentos quânticos e elevado desempenho como catalisadores heterogéneos. As propriedades magnéticas de um composto baseado em érbio foram igualmente estudadas, assim como as de adsorpção e permuta de solvente de uma estrutura porosa baseada em cério.

New oxomolybdenum(VI) hybrid materials

In this thesis, 2,2’-bipyridine (bipy), di-tert-butyl-2,2’-bipyridine (di-t-Bubipy), 2,2’-bipyridine-5,5’-dicarboxylic acid (H2bpdc), 2-[3(5)-pyrazolyl]pyridine (pzpy) and 2-(1-pentyl-3-pyrazolyl)pyridine (pent-pp) ligands were used as the N,N-chelate ligands in the formation of discrete [MoO2Cl2L]-type complexes. These complexes were employed as precursors for the preparation in aqueous media of oxomolybdenum(VI) products with a wide range of structural diversity. Three distinct heating methods were studied: hydrothermal, reflux or microwave-assisted synthesis. An alternative reaction with the inorganic molybdenum(VI) trioxide (MoO3) and the ligands di-t-Bu-bipy, H2bpdc and pzpy was also investigated under hydrothermal conditions. The distinct nature of the N,N-chelate ligands and/or the heating method employed promoted the isolation of a series of new oxomolybdenum(VI) hybrid materials that clearly reflected the strong structure-directing influence of these ligands. Thus, this thesis describes the synthesis and characterization of the discrete mononuclear [MoO2Cl2(pent-pp)], the dinuclear [Mo2O6(di-t-Bu-bipy)2] and the octanuclear [Mo8O22(OH)4(di-t-Bu-bipy)4] complexes as well as the highly unique polymeric materials {[MoO3(bipy)][MoO3(H2O)]}n, (DMA)[MoO3(Hbpdc)]·nH2O, [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n (fine structural details of compound [Mo2O6(pent-pp)]n are presently unknown; however, characterization data strongly pointed toward a polymeric oxide hybrid compound). The catalytic behaviour of the discrete complexes and the polymeric compounds was tested in olefin epoxidation reactions. Compounds [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n acted as sources of soluble active species that where identified as the oxodiperoxido complexes [MoO(O2)2(pzpy)] and [MoO(O2)2(pent-pp)], respectively. The majority of the compounds here presented were fully characterized by using solid-state techniques, namely elemental analyses, thermogravimetry, FT-IR, solid-state NMR, electron microscopy and powder X-ray diffraction (both from laboratory and/or synchrotron sources).

Métodos "verdes" de produção de nanomateriais que promovem nanotecnologias sustentáveis

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Hydrolyse assistée par micro-ondes : synthèse de cystéines a-substituées sur échelle multi-grammes; Synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs

Le présent mémoire est subdivisé en deux principaux sujets. Le premier porte sur le développement d’une hydrolyse de thiazolidines assistée par micro-ondes en vue d’obtenir des cystéines a-substituées. Le second est axé sur le développement d’une méthodologie pour la synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs. Dans un premier temps, les rôles et les utilités des acides aminés quaternaires, plus spécifiquement des cystéines a-substituées, seront abordés, puis une revue des différentes méthodes énantiosélectives pour accéder à ces unités sera effectuée. Par la suite, le développement d’une méthode rapide et efficace d’hydrolyse sous irradiation aux micro-ondes de thiazolines sera présenté. Finalement, les études menant à l’application de cette méthode à la synthèse de cystéines -substituées sur grande échelle au moyen de réacteurs en écoulement dynamique et à haut criblage seront détaillées. Dans la seconde partie, les applications ainsi que les synthèses générales des alkylidènecyclopropanes en synthèse organique seront décrites. Plus particulièrement, les applications spécifiques des alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs ainsi que leurs synthèses seront traitées de manière exhaustive. Par la suite, le développement d’une méthodologie énantiosélective catalytique pour la synthèse d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs sera présenté. L’extension de cette méthodologie à la synthèse de dérivés cyclopropanes et cyclopropènes, ainsi que l’application de réactions stéréospécifiques pour les alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs seront brièvement discutées.

Low cost synthesis of cathode and anode materials for lithium-ion batteries

Dans cette thèse, nous démontrons des travaux sur la synthèse à faible coût des matériaux de cathode et l'anode pour les piles lithium-ion. Pour les cathodes, nous avons utilisé des précurseurs à faible coût pour préparer LiFePO4 et LiFe0.3Mn0.7PO4 en utilisant une méthode hydrothermale. Tout d'abord, des matériaux composites (LiFePO4/C) ont été synthétisés à partir d'un précurseur de Fe2O3 par une procédé hydrothermique pour faire LiFePO4(OH) dans une première étape suivie d'une calcination rapide pour le revêtement de carbone. Deuxièmement, LiFePO4 avec une bonne cristallinité et une grande pureté a été synthétisé en une seule étape, avec Fe2O3 par voie hydrothermale. Troisièmement, LiFe0.3Mn0.7PO4 a été préparé en utilisant Fe2O3 et MnO comme des précurseurs de bas coûts au sein d'une méthode hydrothermale synthétique. Pour les matériaux d'anode, nous avons nos efforts concentré sur un matériau d'anode à faible coût α-Fe2O3 avec deux types de synthèse hydrothermales, une a base de micro-ondes (MAH) l’autre plus conventionnelles (CH). La nouveauté de cette thèse est que pour la première fois le LiFePO4 a été préparé par une méthode hydrothermale en utilisant un précurseur Fe3+ (Fe2O3). Le Fe2O3 est un précurseur à faible coût et en combinant ses coûts avec les conditions de synthèse à basse température nous avons réalisé une réduction considérable des coûts de production pour le LiFePO4, menant ainsi à une meilleure commercialisation du LiFePO4 comme matériaux de cathode dans les piles lithium-ion. Par cette méthode de préparation, le LiFePO4/C procure une capacité de décharge et une stabilité de cycle accrue par rapport une synthétisation par la méthode à l'état solide pour les mêmes précurseurs Les résultats sont résumés dans deux articles qui ont été récemment soumis dans des revues scientifiques.

Diazafluoren-9-yliden als Bindungsmotiv für Metallfragmente in kreuzkonjugierten π-Systemen

In der vorliegenden Dissertation wurden kreuzkonjugierte organische Verbindungen basierend auf Diazafluorenmethyliden- sowie Dipyridylmethyliden-Bausteinen synthetisiert, die zum einen photoredoxaktive Metallfragmente komplexieren können und zum anderen erweiterte π-konjugierte Pfade auf der Grundlage von Alkineinheiten ermöglichen. Das kreuzkonjugierte Motiv wurde über die Kupplung von Alkineinheiten an halogenierte Methyliden-Einheiten, den so genannten Dibromolefinen, zugänglich gemacht. Zur Synthese von Dibromolefinen wurden verschiedene Methoden untersucht. Literaturbekannte Methoden wie die Wittig-Reaktion und ihre Modifikationen sowie die Corey-Fuchs-Reaktion konnten für die Diazafluoreneinheit nicht erfolgreich angewendet werden. Bei einer mikrowellenunterstützten Reaktion konnte sowohl ausgehend von Diazafluoren-9-on als auch von Di-2-pyridylketon eine Dibromolefinierung (55 % und 65 %) erreicht werden. Die Eignung der Mikrowellenstrahlung für Dibromolefinierungsreaktionen nach Corey und Fuchs wurde weiterhin an verschiedenen Aldehyden und Ketonen untersucht. In den meisten Fällen konnten gute bis sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Durch die erfolgreiche Synthese von Dibromolefinen über Mikrowellensynthese wurde die Realisierung von diversen π-konjugierten Systemen möglich. Dies erfolgte exemplarisch durch die Kupplung der Alkine 5-Ethinyl-2,2’-bipyridin, 1-(Ferrocenylethinyl)-4-(ethinyl)benzol, Tri(tolyl)propin sowie der TIPS- und TMS-Acetylene. Neben der Vielfalt an Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Dipyridyl- und Diazafluorenbausteinen zeigte sich zudem, dass sogar räumlich anspruchsvolle Verbindungen wie die geminale angeordneten voluminösen Tri(tolyl)propinyl-Substituenten an der Doppelbindung erfolgreich synthetisiert werden können. Die Koordinationseigenschaften der neu synthetisierten Verbindungen konnten durch Umsetzungen der Diazafluoren- und Dipyridylverbindungen mit PdCl2 und [RuCl2(bpy)2] erfolgreich gezeigt werden. Im Hinblick auf die Herstellung von Funktionsmaterialien eignen sich die Endiin-Strukturmotive aufgrund von diversen Variationsmöglichkeiten wie Koordination von Übergangsmetallen sowie Funktionalisierung der Peripherie gut. Dadurch können die elektronischen Eigenschaften wie die Absorption oder elektrochemische Potentiale der Verbindungen modifiziert werden. Die UV/Vis-Spektren der neu synthetisierten Verbindungen zeigen, dass Absorptionen in längerwelligen Bereichen durch Verlängerung des Konjugationspfades gesteuert werden können. Zudem lassen sich weitere photophysikalische Eigenschaften wie MC-, LC-, LMCT- oder MLCT-Übergänge durch Koordination von Metallen generieren. Die elektrochemischen Potentiale der Dipyridyl- und Diazafluorenbausteine konnten durch Anbindung von verschiedenen Substituenten beeinflusst werden. Es zeigte sich, dass sich die Reduktionswellen im Vergleich zu denen der Ketone zu niedrigeren Potentialen verschieben, wenn Alkine an die Dipyridylmethyliden- und Diazafluorenmethyliden-Bausteine geknüpft wurden. Zudem konnte beobachtet werden, dass die Signale nicht immer reversibel sind. Insbesondere die Dipyridylverbindungen zeichneten sich durch irreversible Reduktionswellen aus. Die Realisierung von π-konjugierten Systemen gelang auch mit cyclischen kohlenstoffbasierten Verbindungen. Über das separat synthetisierte 2,2’-Diethinyltolan konnte eine cyclische Verbindung, ein dehydroannulen-radialenisches System, erfolgreich hergestellt werden. Die Koordination von redoxaktiven Metallzentren wie [Ru(bpy)2] konnte für diese Verbindung ebenfalls erfolgreich gezeigt werden. Die elektronische Wechselwirkung zwischen dem Metallzentrum und dem dehydroannulenischen System könnte sowohl über theoretische Methoden (zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie) als auch experimentell wie z. B. über transiente Absorptionsspektroskopie untersucht werden. Diese zukünftig durchzuführenden Untersuchungen können Aufschluss über die Ladungstransferraten und -dauer geben. Im Hinblick auf die Realisierung von Modellverbindungen für molekulare Drähte wurden lineare Systeme basierend auf der Diazafluoreneinheit synthetisiert. Zur Synthese von derartigen Systemen war es zunächst notwendig, die Dibromolefine unsymmetrisch zu alkinylieren. Die unsymmetrische Substitution gestaltete sich als Herausforderung, da eine Einfachkupplung mit einem Acetylen nicht möglich war. In den meisten Fällen wurden zweifach substituierte Spezies mit den identischen Alkinen erhalten. Die besten Ausbeuten konnten durch die konsekutive Zugabe von TIPS-Acetylen und darauffolgend TMS-Acetylen in die Reaktionsmischung erhalten werden. Offenbar spielt der räumliche Anspruch des Erstsubstituenten in diesem Zusammenhang eine Rolle. Die selektive Entschützung der unterschiedlich silylierten Verbindungen erfolgte mit K2CO3 in MeOH/THF (1:1). Die oxidative Homokupplungsreaktion erfolgte ohne Isolierung der entschützten Spezies, da diese instabil ist und zur Polymerisation neigt. Aufgrund der Instabilität der entschützten Spezies sowie möglichen Nebenreaktionen waren die Ausbeuten sowohl bei der TIPS-geschützten Verbindung als auch bei der TTP-geschützten Verbindung gering. Versuche, lineare Systeme von dipyridylbasierten Verbindungen zu erhalten, schlugen fehl. Die π-konjugierten Systeme lassen aufgrund der effektiven Überlappung der beteiligten π-Orbitale hohe Ladungsträgermobilitäten vermuten. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten Verbindungen könnten mit Schwefelverbindungen die Anbindung an Elektroden zulassen, worüber die Leitfähigkeiten der Verbindungen gemessen werden könnten.

Síntesi de base sòlida de pèptids biarílics contenint 5-arilhistidines

Els aminoàcids biarílics es troben en una àmplia varietat de pèptids naturals amb important activitat biològica. Concretament, les arilhistidines formen part de les aciculitines, pèptids amb activitat citotòxica i antifúngica, La reacció de Suzuki-Miyaura és el mètode més versàtil per obtenir biarils assimètrics, encara que, fins el moment, no s'havia aplicat per a l'arilació de l'imidazole de la histidina. L'objectiu general d'aquesta tesi fou demostrar que es podia arilar l'imidazole de la histidina en fase sòlida mitjançant una reacció de Suzuki-Miyaura. En primer lloc, es sintetitzaren 4(5)-metil-5(4)-fenilimidazole i 4(5)-metil-5(4)-(2-metoxifenil)imidazole a través de l'acoblament creuat entre un N-benzilbromoimidazole i el corresponent àcid arilborònic. Posteriorment, s'arilaren 5-bromohistidines utilitzant diversos àcids arilborònics mitjançant una reacció de Suzuki-Miyaura assistida per irradiació micrones, tant en dissolució com en fase sòlida. I finalment, mitjançant aquesta metodología, es sintetitzaren pèptids antimicrobians contenint 5-arilhistidines actius contra bacteris gram-negatius responsables d'importants malalties en plantes com el foc bacterià.

Palladium(II) and platinum(II) complexes with tridentate iminophosphine ligands; synthesis and structural studies

The previously synthesised Schiff-base ligands 2-(2-Ph2PC6H4N = CH) - R' - C6H3OH (R' = 3-OCH3, HL1; 5-OCH3, HL2; 5-Br, HL3; 5-Cl, HL4) were prepared by a faster, more efficient route involving a microwave assisted co-condensation of 2-(diphenylphosphino) aniline with the appropriate substituted salicylaldehyde. HL1-4 react directly with (MCl2)-Cl-II (M = Pd, Pt) or (PtI2)-I-II(cod) affording neutral square-planar complexes of general formula [(MCl)-Cl-II(eta(3)-L1-4)] (M = Pd, Pt, 1 - 8) and [(PtI)-I-II(eta(3)-L1-4)] (M = Pd, Pt, 9 - 12). Reaction of complexes 1 - 4 with the triarylphosphines PR3 (R = Ph, p-tolyl) gave the novel ionic complexes [Pd-II(PR3)(eta(3)- L1-4)] ClO4 (13 - 20). Substituted platinum complexes of the type [Pt-II(PR3)(eta(3)- L1-4)] ClO4 (R = P(CH2CH2CN)(3) 21 - 24) and [Pt-II( P(p-tolyl)(3))(eta(3)-L-3,L-4)] ClO4 ( 25 and 26) were synthesised from the appropriate [(PtCl)-Cl-II(eta(3)-L1-4)] complex (5 - 8) and PR3. The complexes are characterised by microanalytical and spectroscopic techniques. The crystal structures of 3, 6, 10, 15, 20 and 26 were determined and revealed the metal to be in a square-planar four-coordinate environment containing a planar tridentate ligand with an O, N, P donor set together with one further atom which is trans to the central nitrogen atom.

Electronic structure and optical properties of BaMoO(4) powders

Barium molybdate (BaMoO(4)) powders were synthesized by the co-precipitation method and processed in microwave-hydrothermal at 140 degrees C for different times. These powders were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform Raman (FT-Raman), Fourier transform infrared (FT-IR), ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectroscopies and photoluminescence (PL) measurements. XRD patterns and FT-Raman spectra showed that these powders present a scheelite-type tetragonal structure without the presence of deleterious phases. FT-IR spectra exhibited a large absorption band situated at around 850.4 cm(-1), which is associated to the Mo-O antisymmetric stretching vibrations into the [MoO(4)] clusters. UV-vis absorption spectra indicated a reduction in the intermediary energy levels within band gap with the processing time evolution. First-principles quantum mechanical calculations based on the density functional theory were employed in order to understand the electronic structure (band structure and density of states) of this material. The powders when excited with different wavelengths (350 nm and 488 nm) presented variations. This phenomenon was explained through a model based in the presence of intermediary energy levels (deep and shallow holes) within the band gap. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influence of different solvents on the structural, optical and morphological properties of CdS nanoparticles

CdS is one of the most important II-VI semiconductors, with applications in solar cells, optoelectronics and electronic devices. CdS nanoparticles were synthesized via microwave-assisted solvothermal technique. Structural and morphological characterization revealed the presence of crystalline structures presenting single phase with different morphologies such as ""nanoflowers"" and nanoplates depending on the solvent used. Optical characterization was made by diffuse reflectance and photoluminescence spectroscopy, revealing the influence of the different solvents on the optical properties due to structural defects generated during synthesis. It is proposed that these defects are related to sulfur vacancies, with higher concentration of defects for the sample synthesized in ethylene glycol in comparison with the one synthesized in ethylene diamine. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Morphology and Blue Photoluminescence Emission of PbMoO(4) Processed in Conventional Hydrothermal

PbMoO(4) micro-octahedrons were prepared by the coprecipitation method at room temperature without the presence of surfactants and processed in a conventional hydrothermal at different temperatures (from 60 to 120 degrees C) for 10 min. These micro-octahedrons were structurally characterized by X-ray diffraction (XRD) and micro-Raman (MR) spectroscopy, and its morphology was investigated by field-emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM). The optical properties were analyzed by ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectroscopy and photoluminescence (PL) measurements. XRD patterns and MR spectra confirmed that the PbMoO(4) micro-octahedrons are characterized by a scheelite-type tetragonal structure. FEG-SEM micrographs points, out that these structures present a polydisperse particle size distribution in consequence of a predominant growth mechanism via aggregation of particles. In addition, it was observed that the hydrothermal conditions favored a spontaneous formation of micro-octahedrons interconnected along a common crystallographic orientation (oriented-attachment), resulting in self-organized structures. An intense blue PL emission at room temperature was observed in these micro-octahedrons when they were excited with a 350 nm wavelength. The origin of the PL emissions as well as its intensity variations are explained by means of a model based on both distorted [MoO(4)] and [PbO(8)] clusters into the lattice.

Hierarchical Assembly of CaMoO(4) Nano-Octahedrons and Their Photoluminescence Properties

Hierarchical assemblies of CaMoO4 (CM) nano-octahedrons were obtained by microwave-assisted hydrothemial synthesis at 120 degrees C for different times. These structures were structurally, morphologically and optically characterized by X-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, field-emission gun scanning electron microscopy, ultraviolet-visible absorption spectroscopy and photoluminescence measurements. First-principle calculations have been carried out to understand the structural and electronic order-disorder effects as a function of the particle/region size. Supercells of different dimensions were constructed to simulate the geometric distortions along both they and z planes of the scheelite structure. Based on these experimental results and with the help of detailed structural simulations, we were able to model the nature of the order-disorder in this important class of materials and discuss the consequent implications on its physical properties, in particular, the photoluminescence properties of CM nanocrystals.