In Situ and Simultaneous UV-vis/SAXS and UV-vis/XAFS Time-Resolved Monitoring of ZnO Quantum Dots Formation and Growth

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

TiO2-Cu photocatalysts: A study on the long- and short-range chemical environment of the dopant

In this study, the short- and long-range chemical environments of Cu dopant in TiO2 photocatalyst have been investigated. The Cu-doped and undoped TiO2 specimens were prepared by the sol-gel approach employing CuSO4·5H2O and Ti(O-iPr)4 precursors and subjecting the dried gels to thermal treatment at 400 and 500 C. The photocatalytic activity, investigated by methylene blue degradation under sunlight irradiation, showed a significantly higher efficiency of Cu-doped samples than that of pure TiO2. The X-ray diffraction results showed the presence of anatase phase for samples prepared at 400 and 500 C. No crystalline CuSO4 phase was detected below 500 C. It was also found that doping decreases the crystallite size in the (004) and (101) directions. Infrared spectroscopy results indicated that the chemical environment of sulfate changes as a function of thermal treatment, and UV-vis spectra showed that the band gap decreases with thermal treatment and Cu doping, showing the lowest value for the 400 C sample. X-ray absorption fine structure measurements and analysis refinements revealed that even after thermal treatment and photocatalytic assays, the Cu2+ local order is similar to that of CuSO4, containing, however, oxygen vacancies. X-ray photoelectron spectroscopy data, limited to the near surface region of the catalyst, evidenced, besides CuSO4, the presence of Cu1+ and CuO phases, indicating the active role of Cu in the TiO2 lattice. © 2013 Springer Science+Business Media New York.

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.

Efeito da adição de lantânio em catalisadores de Ni/ZrO2 aplicados na reação de reforma a vapor de etanol

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 ºC was found for the Ni/12LZ catalyst, which exhibited an effluent gaseous mixture with the highest H2 yield.

Magnetic Properties of γ - Fe2O3 Nanoparticles at the Verge of Nucleation Process.

A low-energy new method based in a one-step synthesis at room temperature produces very small maghemite nanopar ticles. The fast neutralization reaction (co-precipitation) of a ferric solution (FeCl3 aqueous) in a basic medium (NH4OH concentrated) produces an intermediate phase, presumably two-line ferrihydrite, that in oxidizing conditions is transformed to maghemite nanopar ticles. That “primordial soup” is characterized by small atom arrangements that are the base for maghemite tiny crystals. The final product of the reaction was characterized by X-ray diffraction, high-resolution transmission electron microscopy, X-ray absorption fine structure, Mössbauer spectroscopy, and magnetometry.

Grenzflächenverhalten und Strukturierung von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen

Die Oberfläche von Blockcopolymerfilmen wird aus denjenigen Blöcken gebildet, die gegenüber dem benachbarten Medium die geringste Oberflächenenergie besitzen. Durch eine gezielte Änderung des Mediums kann man Einfluss auf die chemische Zusammensetzung nehmen und einen Wechsel der Oberflächenlamelle erzwingen. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Grenzflächenverhalten von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen näher zu untersuchen, die Filmoberflächen in einem lösungsmittelfreien Prozess lateral zu strukturieren und anschließend chemisch zu modifizieren. Zu diesem Zweck wurden zunächst neuartige hydrophile und hydrophobe Styrenderivate mit kurzen Seitenketten dargestellt, die anschließend durch kontrollierte radikalische Polymerisation („stable free radical polymerisation“ SFRP) mit dem TEMPO Unimer zu amphiphilen Diblockcopolymeren polymerisiert wurden. Funktionelle Gruppen in den hydrophilen Blöcken sollen zusätzlich eine chemische Modifizierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme ermöglichen. Der Nachweis der Reorientierung der Oberflächenlamelle unter dem Einfluss angrenzender polarer und unpolarer Medien gelang im Folgenden sowohl indirekt durch Kontaktwinkelmessungen, als auch direkt durch „Near edge X-ray Absorption Fine Structure“ Spektroskopie (NEXAFS). Durch Letztere konnten auch kinetische Informationen über den Prozess der Reorientierung gewonnen werden. In AFM Studien konnten weiterhin Zwischenstufen des von Senchu et al. postulierten Mechanismus nachgewiesen werden, der die Reorientierung als eine Art Reißverschlussmechanismus beschreibt, bei dem sich die energetisch günstigere Lamelle über die ungünstigere Oberflächenlamelle stülpt. Die laterale Strukturierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme erfolgte abweichend von der bekannten Technik, die auf der Verwendung von hydrophoben PDMS Stempeln und einem polaren Lösungsmittel zurückgreift, durch einen lösungsmittelfreien Prozess mit hydrophilen PDMS Stempeln. Auf die hydrophilen Bereiche der so strukturierten Blockcopolymeroberflächen konnte dann mittels einer Templatstrategie selektiv elementares Kupfer abgeschieden werden. Durch die Erzeugung leitfähiger Strukturen auf Blockcopolymerfilmen konnte exemplarisch die Eignung dieser zum Aufbau von Sensorstrukturen gezeigt werden.

Untersuchung des Reorientierungsverhaltens und Strukturierung dünner amphiphiler Blockcopolymerfilme zum Aufbau von Kompositen

Grundlage für die hier gezeigte Arbeit stellt die Eigenschaft von amphiphilen Blockcopolymeren dar immer den Block mit der niedrigsten Grenzflächenenergie zum angrenzenden Medium an die Oberfläche zu bringen. Durch einen Austausch des Mediums an der Grenzfläche zum Blockcopolymer kann eine Reorientierung erzwungen werden, wenn die Grenzflächenenergie des anderen Blocks nun die niedrigere Grenzflächenenergie besitzt. Dieses Verhalten von dünnen amphiphilen Blockcopolymerfilmen wurde zur Strukturierung von Oberflächen ausgenutzt und in nachfolgenden Synthesen weiter verstärkt. Um dies zu erreichen wurde das zur Strukturierung erforderliche Poly(4-Octylstyrol)block(4-hydroxystyrol) durch kontrollierte radikalische Polymerisationsmethode mit dem Tempo Unimer (2,2,6,6-Tetramethyl-1-1(1-phenyl-ethoxy)-piperidin) synthetisiert. Für die geplanten Reorientierungen und Modifizierungen von Oberflächen wurden dünne Filme durch Schleuderbeschichtung auf verschiedenen Substraten (Siliziumwafern, Glassubstraten und Goldoberflächen) hergestellt. Das Verhalten der Oberflächen von diesen Filmen wurde durch Kontaktwinkelmessungen untersucht. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die Oberfläche von Polymerfilmen nach der Präparation aus dem hydrophoben Block des Polymers gebildet wird. Durch Kontakt des Polymerfilms mit Wasser kann dieser zur Reorientierung gebracht werden, so dass der hydrophile Block des Polymers an der Oberfläche erscheint. Dieses Verhalten wurde zur Strukturierung mit softlithographischen Techniken genutzt. Dazu wurden hydrophil/hydrophob strukturierte Oberflächen durch Aufsetzen von hydrophoben PDMS-Stempeln, die Teile der Oberfläche selektiv abdeckten, und Einbringen von Wasser in die dabei entstehenden Kapillaren hergestellt. Dies ermöglichte es die Oberfläche selektiv im Größenbereich von 500nm bis zu 50µm zu strukturieren und an den reaktiven Bereichen Materialien, wie z.B. Kupfer, Titandioxid, Polyelektrolyte, photonische Kristalle und angegraftete Polymere, mit verschiedenen Methoden selektiv auf die Oberfläche aufzubringen. Um den Reorganisationsprozess der Oberfläche genauer zu studieren, wurde ein für diese Aufgabe besser geeignetes Polymer (Poly(Styrol)-block-poly(essigsäure-2-(2-(4-vinyl-phenoxy)-ethoxy)ethylester)) synthetisiert. Aus diesem Blockcopolymer wurden wieder dünne Filme durch Spincoaten hergestellt. Die Reorientierung dieses Polymers in 70°C warmen Wasser konnte durch Kontaktwinkelmessungen und NEXAFS Spektroskopie nachgewiesen werden. Mit Hilfe der NEXAFS Spektroskopie konnte festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit der Reorientierung durch eine exponentielle Funktion beschrieben werden kann. Eine Auswertung der Geschwindigkeitskonstante für die Reorientierung einer hydrophilen zu einer hydrophoben Oberfläche des Polymers bei 60°C führt zu =75min. Aufgrund des exponentiellen Charakters der Reorientierung macht es den Anschein, dass die Reorientierung bei verschiedenen Reorientierungstemperaturen bis zu einem gewissen Grad erfolgt und dann stoppt. Eine weitere Reorientierung scheint erst wieder bei einer Temperaturerhöhung zu beginnen. Aus AFM Messungen ist ein Beginnen der Reorientierung durch Bildung kleiner Löcher in der Polymeroberfläche zu erkennen, die sich zu runden Erhöhungen und Vertiefungen vergrößern, um letztendlich in ein spinodales Entmischungsmuster über zu gehen. Dieses heilt dann im Laufe der Zeit langsam durch Verschwinden der hydrophilen Bereiche langsam aus. Der Beginn des zuvor beschriebenen Reorientierungsprozesses einer hydrophilen Oberfläche in eine hydrophobe konnte sowohl in den AFM, als auch in den NEXAFS-Messungen zu ca. 50°C bestimmt werden.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Impact of metal and metal oxide engineered nanoparticles in soil and plant systems

Nanotechnology promises huge benefits for society and capital invested in this new technology is steadily increasing, therefore there is a growing number of nanotechnology products on the market and inevitably engineered nanomaterials will be released in the atmosphere with potential risks to humans and environment. This study set out to extend the comprehension of the impact of metal (Ag, Co, Ni) and metal oxide (CeO2, Fe3O4, SnO2, TiO2) nanoparticles (NPs) on one of the most important environmental compartments potentially contaminated by NPs, the soil system, through the use of chemical and biological tools. For this purpose experiments were carried out to simulate realistic environmental conditions of wet and dry deposition of NPs, considering ecologically relevant endpoints. In detail, this thesis involved the study of three model systems and the evaluation of related issues: (i) NPs and bare soil, to assess the influence of NPs on the functions of soil microbial communities; (ii) NPs and plants, to evaluate the chronic toxicity and accumulation of NPs in edible tissues; (iii) NPs and invertebrates, to verify the effects of NPs on earthworms and the damaging of their functionality. The study highlighted that NP toxicity is generally influenced by NP core elements and the impact of NPs on organisms is specie-specific; moreover experiments conducted in media closer to real conditions showed a decrease in toxicity with respect to in vitro test or hydroponic tests. However, only a multidisciplinary approach, involving physical, chemical and biological skills, together with the use of advanced techniques, such as X-ray absorption fine structure spectroscopy, could pave the way to draw the right conclusions and accomplish a deeper comprehension of the effects of NPs on soil and soil inhabitants.

The influence of physical state on shikimic acid ozonolysis: a case for in situ microspectroscopy

Atmospheric soluble organic aerosol material can become solid or semi-solid. Due to increasing viscosity and decreasing diffusivity, this can impact important processes such as gas uptake and reactivity within aerosols containing such substances. This work explores the dependence of shikimic acid ozonolysis on humidity and thereby viscosity. Shikimic acid, a proxy for oxygenated reactive organic material, reacts with O3 in a Criegee-type reaction. We used an environmental microreactor embedded in a scanning transmission X-ray microscope (STXM) to probe this oxidation process. This technique facilitates in situ measurements with single micron-sized particles and allows to obtain near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectra with high spatial resolution. Thus, the chemical evolution of the interior of the particles can be followed under reaction conditions. The experiments show that the overall degradation rate of shikimic acid is depending on the relative humidity in a way that is controlled by the decreasing diffusivity of ozone with decreasing humidity. This decreasing diffusivity is most likely linked to the increasing viscosity of the shikimic acid–water mixture. The degradation rate was also depending on particle size, most congruent with a reacto-diffusion limited kinetic case where the reaction progresses only in a shallow layer within the bulk. No gradient in the shikimic acid concentration was observed within the bulk material at any humidity indicating that the diffusivity of shikimic acid is still high enough to allow its equilibration throughout the particles on the timescale of hours at higher humidity and that the thickness of the oxidized layer under dry conditions, where the particles are solid, is beyond the resolution of STXM.

Mineral surfaces and bioavailability of heavy metals: A molecular-scale perspective

There is a continual influx of heavy metal contaminants and pollutants into the biosphere from both natural and anthropogenic sources. A complex variety of abiotic and biotic processes affects their speciation and distribution, including adsorption onto and desorption from mineral surfaces, incorporation in precipitates or coprecipitates, release through the dissolution of minerals, and interactions with plants and microbes. Some of these processes can effectively isolate heavy metals from the biosphere, whereas others cause their release or transformation to different species that may be more (or less) bioavailable and/or toxic to organisms. Here we focus on abiotic adsorption and precipitation or coprecipitation processes involving the common heavy metal contaminant lead and the metalloids arsenic and selenium in mine tailings and contaminated soils. We have used extremely intense x-rays from synchrotron sources and a structure-sensitive method known as x-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy to determine the molecular-level speciation of these elements at concentrations of 50 to several thousand ppm in the contaminated environmental samples as well as in synthetic sorption samples. Our XAFS studies of As and Pb in the mine tailings show that up to 50% of these contaminants in the samples studied may be present as adsorbed species on mineral surfaces, which makes them potentially more bioavailable than when present in sparingly soluble solid phases. Our XAFS studies of Se(VI) sorption on Fe2+-containing sulfates show that this element undergoes redox reactions that transform it into less bioavailable and less toxic species. This type of information on molecular-level speciation of heavy metal and metalloid contaminants in various environmental settings is needed to prioritize remediation efforts and to assess their potential hazard to humans and other organisms.

Interfacial behavior of tetrapyridylporphyrin monolayer arrays

The behavior of monolayer films of free base 5,10,15,20-tetrapyridylporphinato (TPyP) and 5,10,15,20-tetrapyridylporphinato zinc(II) (ZnTPyP) on pure water, 0.1 M CdCl2, and 0.1 M CuCl2 subphases was investigated by surface pressure-area isotherms, specular X-ray reflectometry, and polarized total reflection X-ray absorption spectroscopy (PTRXAS). Surface pressure-area isotherms showed significant differences in the area per molecule on pure water compared to that on salt subphases, with a marked increase in the area observed on the salt solutions. This behavior was noted for both forms of the porphyrin and both salts investigated. Modeling of specular X-ray reflectometry data indicated that thinner and more electron dense layers on salt subphases best fit the observed profiles. These data suggest that the porphyrin macrocycle is oriented parallel to the interface on salt subphases and takes on a tilted conformation on pure water. In the case of ZnTPyP, PTRXAS was used to determine the orientation of the porphyrin moiety relative to the surface and to probe the coordination of the central Zn ion. In agreement with the pressure-area isotherms and reflectometry, the PTRXAS data indicate a change in orientation on the salt subphases.

Sonogashira cross-coupling and homocoupling on a silver surface:chlorobenzene and phenylacetylene on Ag(100)

Scanning tunneling microscopy, temperature-programmed reaction, near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy, and density functional theory calculations were used to study the adsorption and reactions of phenylacetylene and chlorobenzene on Ag(100). In the absence of solvent molecules and additives, these molecules underwent homocoupling and Sonogashira cross-coupling in an unambiguously heterogeneous mode. Of particular interest is the use of silver, previously unexplored, and chlorobenzene—normally regarded as relatively inert in such reactions. Both molecules adopt an essentially flat-lying conformation for which the observed and calculated adsorption energies are in reasonable agreement. Their magnitudes indicate that in both cases adsorption is predominantly due to dispersion forces for which interaction nevertheless leads to chemical activation and reaction. Both adsorbates exhibited pronounced island formation, thought to limit chemical activity under the conditions used and posited to occur at island boundaries, as was indeed observed in the case of phenylacetylene. The implications of these findings for the development of practical catalytic systems are considered.

Influence of the sputtering flow regime on the structural properties and magnetic behavior of Fe-Ga thin films (Ga ∼ 30 at.%)

In this paper we analyze the structure of Fe-Ga layers with a Ga content of ∼30 at.% deposited by the sputtering technique under two different regimes. We also studied the correlation between the structure and magnetic behavior of the samples. Keeping the Ar pressure fixed, we modified the flow regime from ballistic to diffusive by increasing the distance between the target and the substrate. X-ray diffraction measurements have shown a lower structural quality when growing in the diffusive flow. We investigated the impact of the growth regime by means of x-ray absorption fine structure (XAFS) measurements and obtained signs of its influence on the local atomic order. Full multiple scattering and finite difference calculations based on XAFS measurements point to a more relevant presence of a disordered A2 phase and of orthorhombic Ga clusters on the Fe-Ga alloy deposited under a diffusive regime; however, in the ballistic sample, a higher presence of D0_3/B2 phases is evidenced. Structural characteristics, from local to long range, seem to determine the magnetic behavior of the layers. Whereas a clear in-plane magnetic anisotropy is observed in the film deposited under ballistic flow, the diffusive sample is magnetically isotropic. Therefore, our experimental results provide evidence of a correlation between flow regime and structural properties and its impact on the magnetic behavior of a rather unexplored compositional region of Fe-Ga compounds.

Morphology and material stability in polymer solar cells

Polymer solar cells are promising in that they are inexpensive to produce, and due to their mechanical flexibility have the potential for use in applications not possible for more traditional types of solar cells. The performance of polymer solar cells depends strongly on the distribution of electron donor and acceptor material in the active layer. Understanding the connection between morphology and performance as well as how to control the morphology, is therefore of great importance. Furthermore, improving the lifetime of polymer solar cells has become at least as important as improving the efficiency.   In this thesis, the relation between morphology and solar cell performance is studied, and the material stability for blend films of the thiophene-quinoxaline copolymer TQ1 and the fullerene derivatives PCBM and PC70BM. Atomic force microscopy (AFM) and scanning transmission X-ray microscopy (STXM) are used to investigate the lateral morphology, secondary ion mass spectrometry (SIMS) to measure the vertical morphology and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy to determine the surface composition. Lateral phase-separated domains are observed whose size is correlated to the solar cell performance, while the observed TQ1 surface enrichment does not affect the performance. Changes to the unoccupied molecular orbitals as a result of illumination in ambient air are observed by NEXAFS spectroscopy for PCBM, but not for TQ1. The NEXAFS spectrum of PCBM in a blend with TQ1 changes more than that of pristine PCBM. Solar cells in which the active layer has been illuminated in air prior to the deposition of the top electrode exhibit greatly reduced electrical performance. The valence band and absorption spectrum of TQ1 is affected by illumination in air, but the effects are not large enough to account for losses in solar cell performance, which are mainly attributed to PCBM degradation at the active layer surface.