Low content cerium oxide nanoparticles on carbon for hydrogen peroxide electrosynthesis

A comparative study using different proportions of CeO2/C (4%, 9% and 13% CeO2) was performed to produce H2O2, a reagent used in the oxidation of organic pollutants and in electro-Fenton reactions for the production of the hydroxyl radical (OH center dot), a strong oxidant agent used in the electrochemical treatment of aqueous wastewater. The CeO2/C materials were prepared by a modified polymeric precursor method (PPM). X-ray diffraction analysis of the CeO2/C prepared by the PPM identified two phases. CeO2 and CeO2. The average size of the crystallites in these materials was close to 7 nm. The kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) were evaluated by the rotating ring-disk electrode technique. The results showed that the 4% CeO2/C prepared by the PPM was the best composite for the production of H2O2 in a 1 mol L-1 NaOH electrolyte solution. For this material, the number of electrons transferred and the H2O2 percentage efficiency were 3.1 and 44%, respectively. The ring-current of the 4% CeO2/C was higher than that of Vulcan carbon, the reference material for H2O2 production, which produced 41% H2O2 and transferred 3.1 electrons per molecule of oxygen. The overpotential for this reaction on the ceria-based catalyst was substantially lower (approximately 200 mV), demonstrating the higher catalytic performance of this material. Gas diffusion electrodes (GDE) containing the catalyst were used to evaluate the real amount of H2O2 produced during exhaustive electrolysis. The 4% CeO2/C GDE produced 871 mg L-1 of H2O2, whereas the Vulcan carbon GDE produced a maximum amount of only 407 mg L-1. Thus, the 4% CeO2/C electrocatalyst prepared by the PPM is a promising material for H2O2 electrogeneration in alkaline media. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characterization of nanostructured material images using fractal descriptors

This work presents a methodology to the morphology analysis and characterization of nanostructured material images acquired from FEG-SEM (Field Emission Gun-Scanning Electron Microscopy) technique. The metrics were extracted from the image texture (mathematical surface) by the volumetric fractal descriptors, a methodology based on the Bouligand-Minkowski fractal dimension, which considers the properties of the Minkowski dilation of the surface points. An experiment with galvanostatic anodic titanium oxide samples prepared in oxalyc acid solution using different conditions of applied current, oxalyc acid concentration and solution temperature was performed. The results demonstrate that the approach is capable of characterizing complex morphology characteristics such as those present in the anodic titanium oxide.

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.

Molecular plating of thin lanthanide layers with improved material properties for nuclear applications

In der vorliegenden Arbeit werden Experimente beschrieben, die zu einem vertieften Verständnis fundamentaler Prozesse bei der elektrochemischen Herstellung von Dünnschichten, sog. Targets, für kernphysikalische und -chemische Studien führten. Targets wurden mittels 'Molecular Plating' (MP) hergestellt, indem eine Elektrodeposition aus organischem Medium in der Regel bei konstantem Strom in Zwei-Elektroden-Zellen. Die Resultate erlaubten, optimierte Herstellungs-bedingungen zu ermitteln, welche die Produktion deutlich verbesserter Targets erlaubten. MP bei konstantem Strom ist ein massentransportkontrollierter Prozess. Der angelegte Strom wird durch einen konstanten Fluss elektroaktiver Spezies zur Kathode – auf der die Schicht wächst – und Anode aufrechterhalten. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zellenpotential des Elektrodepositionsystems immer durch den Ohm'schen Spannungsabfall auf Grund des Widerstandes der verwendeten Lösung dominiert wurde. Dies erlaubte die Herleitung einer Beziehung zwischen dem Zellenpotential und der Konzentration der elektroaktiven Spezies. Die Beziehung erlaubt die Erklärung des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Zellenpotentials während der Abscheidung als Funktion der Elektrolytkonzentration. Dies dient als Basis, auf der nun ein umfassenderes Bild der Prozesse, die für die charakteristischen Minima im Potentialverlauf einer Abscheidung verantwortlich sind, gewonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Minima mit der fast vollständigen Entfernung (durch Abscheidung) der aus einem gelösten Salz erzeugten Nd-Ionen korrespondieren. Die abgeschiedene Spezies wurde als Nd3+ identifiziert, vermutlich als Carboxylat, Oxid oder Hydroxid, was auf Grund der hohen negative Werte des Standardredoxpotentials der Lanthanide verständlich erscheint. Von den vorliegenden elektroaktiven Spezies tragen die Nd3+ Ionen nur zu knapp 20% zum Gesamtstrom bei. Durch Elektrolyse tragen auch die Lösungsmittelkomponenten zu diese Strom bei. Die Gegenwart von elektrolysiertem Lösungsmittel wurde in Analysen der Dünnschichten bestätigt. Diese waren immer mit chemi- und physisorbierten Lösungsmittelmolekülen bedeckt. Die Analyse der Dünnschichten zeigte, dass die Oberflächen von einem furchenartiges Netz durchzogen waren, und dass diese während des Trocknen der Schichten nach dem MP entstanden. Ob die Schichten an Luft oder in inerter Atmosphäre trockneten, hatte keinen Einfluss. Es wurden Experimente mit mehreren Lösungsmitteln durchgeführt, die sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften, v.a. dem Siedepunkt, unterschieden. Furchenfreie Dünnschichten konnten insbesondere bei MP in N,N-dimethylformamide (DMF) erzeugt werden. Die Verwendung von DMF in Kombination mit einer Abscheidung auf sehr glatten Substraten erlaubte die Produktion von sehr homogenen, glatten und defektfreien Schichten. Diese waren vermutlich geringeren inneren Spannungen während des Trocknens ausgesetzt, als Schichten auf raueren Substraten oder solche, die aus flüchtigeren Lösungsmitteln hergestellt wurden. Die Oberflächenrauigkeit des Substrats und das gewählte Lösungsmittel wurden so als Schlüsselfaktoren für die Produktion hochqualitativer Schichten identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass mit MP eine sehr effiziente Methode zur Herstellung homogener Schichten mit exzellenter Ausbeute ist. In weiteren Experimenten mit dem primordialen Alpha-Emitter 147Sm als Modellisotop wurde die Eignung solcher Schichten als Alpha-Quelle untersucht. Sowohl die Energieauflösung als auch der Anteil der Alpha-Teilchen, die den Detektor erreichten, waren von den Quelleneigenschaften abhängig. Die Effekte wurden verschiedenen Variablen der Dünnschicht zugeordnet, welche die Alpha-Spektren beeinflussten. Dominant war die Wahl des Lösungsmittels und die Rauigkeit des Substrats. Dies beeinflusste Schichtdicke und -morphologie sowie die Art des Schichtwachstums und veränderte die Detektionseffizienz in Alpha-Messungen bis zu 15%. Nur homogene, ebene Schichten, die aus DMF auf glatten Substraten abgeschieden wurden, eignen sich optimal als Alpha-Quelle. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben die optimierte Herstellung nuklearer Targets durch MP. Künftige Anwendungen beinhalten insbesondere die Herstellung von Targets für neutroneninduzierte Spaltexperimente und untergrundarmeAlpha-Messungen sehr kleiner Aktivitäten.

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.

A Model to Predict Percolation Threshold and Effective Conductivity of Infiltrated Electrodes for Solid Oxide Fuel Cells

We present a mechanistic modeling methodology to predict both the percolation threshold and effective conductivity of infiltrated Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) electrodes. The model has been developed to mirror each step of the experimental fabrication process. The primary model output is the infiltrated electrode effective conductivity which provides results over a range of infiltrate loadings that are independent of the chosen electronically conducting material. The percolation threshold is utilized as a valuable output data point directly related to the effective conductivity to compare a wide range of input value choices. The predictive capability of the model is demonstrated by favorable comparison to two separate published experimental studies, one using strontium molybdate and one using La0.8Sr0.2FeO3-δ as infiltrate materials. Effective conductivities and percolation thresholds are shown for varied infiltrate particle size, pore size, and porosity with the infiltrate particle size having the largest impact on the results.

A Model to Predict Percolation Threshold and Effective Conductivity of Infiltrated Electrodes for Solid Oxide Fuel Cells

We present a mechanistic modeling methodology to predict both the percolation threshold and effective conductivity of infiltrated Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) electrodes. The model has been developed to mirror each step of the experimental fabrication process. The primary model output is the infiltrated electrode effective conductivity which provides results over a range of infiltrate loadings that are independent of the chosen electronically conducting material. The percolation threshold is utilized as a valuable output data point directly related to the effective conductivity to compare a wide range of input value choices. The predictive capability of the model is demonstrated by favorable comparison to two separate published experimental studies, one using strontium molybdate and one using La0.8Sr0.2FeO3-delta as infiltrate materials. Effective conductivities and percolation thresholds are shown for varied infiltrate particle size, pore size, and porosity with the infiltrate particle size having the largest impact on the results. (C) 2013 The Electrochemical Society. All rights reserved.

Modeling And Predicting The Performance Of Infiltrated Solid Oxide Fuel Cell Anodes

Fuel cells are a topic of high interest in the scientific community right now because of their ability to efficiently convert chemical energy into electrical energy. This thesis is focused on solid oxide fuel cells (SOFCs) because of their fuel flexibility, and is specifically concerned with the anode properties of SOFCs. The anodes are composed of a ceramic material (yttrium stabilized zirconia, or YSZ), and conducting material. Recent research has shown that an infiltrated anode may offer better performance at a lower cost. This thesis focuses on the creation of a model of an infiltrated anode that mimics the underlying physics of the production process. Using the model, several key parameters for anode performance are considered. These are the initial volume fraction of YSZ in the slurry before sintering, the final porosity of the composite anode after sintering, and the size of the YSZ and conducting particles in the composite. The performance measures of the anode, namely percolation threshold and effective conductivity, are analyzed as a function of these important input parameters. Simple two and three-dimensional percolation models are used to determine the conditions at which the full infiltrated anode would be investigated. These more simple models showed that the aspect ratio of the anode has no effect on the threshold or effective conductivity, and that cell sizes of 303 are needed to obtain accurate conductivity values. The full model of the infiltrated anode is able to predict the performance of the SOFC anodes and it can be seen that increasing the size of the YSZ decreases the percolation threshold and increases the effective conductivity at low conductor loadings. Similar trends are seen for a decrease in final porosity and a decrease in the initial volume fraction of YSZ.

Composition of sedimentary material from the bottom and the area surrounding the Lake Untersee, East Antarctica

This paper presents data on geographic and geologic conditions of modern sedimentation in the Lake Untersee, the largest lake in the East Antarctica. Geochemical and sedimentation data indicate that the leading mechanism supplying aluminosilicate sedimentary material to the surface layer of bottom sediments is seasonal melting of the Anuchin glacier and the mountain glacier on the southeastern part of the valley hosting the lake. Strongly reduced conditions in the lowermost 25 m of the water column in the smaller of two depressions of the lake bottom were favorable for enrichment of the bottom sediments in bacteriogenic organic matter, Mo, Au, and Pd. H2S-contaminated water results to significant enrichment of the sediments only in redox-sensitive elements that are able to migrate in anionic complexes and precipitate (co-precipitate) as sulfides.

Composition of hydrothermal manganese oxide deposits from Galapagos mounds, DSDP Leg 70, Hole 509B

During DSDP Leg 70, a 1.60 m thick manganese oxide layer was sampled in hole 509B. This deposit is formed of alternating layers of hard plates of pure todorokite, about 2 mm thick, and of a more powdery material deeply impregnated with manganese oxide, about 3 mm thick. A SEM study of the plates and the associated powder shows that the powdery material is a transformation of a pre-existing sediment, while the plates are a direct precipitation from a hydrothermal solution. The uranium series disequilibrium method was used to determine the ages of the plates. They are found to be in good chronological sequence and in accordance with the sedimentation rate of the area (4.9 cm/10^3 years) which implies that they have been formed at the sediment-seawater interface during a pulsed injection of hydrothermal solution. The powder presents systematically an "older age" which is explained by a slowing down of the injection while the normal sediment settles; the older age is due to the 230Th excess of the sediment.

Composition and fluxes of sinking particulate material and bottom sediments in the northeast Black Sea in 1998-1999

For the first time deep-sea mooring stations with sediment traps were deployed in the northeast Black Sea. One sediment trap for long-term studies was located at Station 1 (44°15'N, 37°43'E, deployment depth 1800 m, depth 1900 m). The trap collected sinking sedimentary material from January to May 1998. Material collectors were changed every 15 days. Other stations with sediment traps for short-term studies (September-October 1999) were located on the shelf: Station 2 (44°16'N, 38°37'E, deployment depth 45 m, depth 50 m) and on the bottom of the canyon: Station 3 (44°16'N, 38°22'E, deployment depth 1145 m, depth 1150 m), Station 4 (44°11'N, 38°21'E, deployment depths 200, 1550, 1650 m, depth 1670 m). Collected material indicates that vertical particle fluxes are controlled by seasonal changes of in situ production and by dynamics of terrigenous matter input. Higher vertical particle flux of carbonate and biogenic silica was in spring due to bloom of plankton organisms. Maximum of coccolith bloom is in April-May. Bloom of diatoms begins in March. In winter and autumn lithogenic material dominates in total flux. Its amount strongly depends on storms and river run-off. Suspended particle material differs from surface shelf sediments by finer particles (mainly clay fraction) and high content of clay minerals and biogenic silica. This material may form lateral fluxes with higher concentration of particles transported along the bottom of deep-sea canyons from the shelf to the deep basin within the nepheloid layer. In winter such transportation of sedimentary material is more intensive due to active vertical circulation of water masses.

Spatial compartmentalization of free radical formation and mitochondrial heterogeneity in bivalve gills revealed by live-imaging techniques, supplementary material

Live-imaging techniques (LIT) utilize target-specific fluorescent dyes to visualize biochemical processes using confocal and multiphoton scanning microscopy, which are increasingly employed as non-invasive approach to physiological in-vivo and ex-vivo studies. Here we report application of LIT to bivalve gills for ex-vivo analysis of gill physiology and mapping of reactive oxygen (ROS) and nitrogen (RNS) species formation in the living tissue. Our results indicate that H2O2, HOO. and ONOO- radicals (assessed through C-H2DFFDA staining) are mainly formed within the blood sinus of the filaments and are likely to be produced by hemocytes as defense against invading pathogens. The oxidative damage in these areas is controlled by enhanced CAT (catalase) activities recorded within the filaments. The outermost areas of the ciliated epithelial cells composing the filaments, concentrated the highest mitochondrial densities (MTK Deep Red 633 staining) and the most acidic pH values (as observed with ageladine-a). These mitochondria have low (depolarized) membrane potentials (D psi m) (JC-1 staining), suggesting that the high amounts of ATP required for ciliary beating may be in part produced by non-mitochondrial mechanisms, such as the enzymatic activity of an ATP-regenerating kinase. Nitric oxide (NO, DAF-2DA staining) produced in the region of the peripheral mitochondria may have an effect on mitochondrial electron transport and possibly cause the low membrane potential. High DAF-2DA staining was moreover observed in the muscle cells composing the wall of the blood vessels where NO may be involved in regulating blood vessel diameter. On the ventral bend of the gills, subepithelial mucus glands (SMG) contain large mucous vacuoles showing higher fluorescence intensities for O2.- (DHE staining) than the rest of the tissue. Given the antimicrobial properties of superoxide, release of O2.- into the mucus may help to avoid the development of microbial biofilms on the gill surface. However, cells of the ventral bends are paying a price for this antimicrobial protection, since they show significantly higher oxidative damage, according to the antioxidant enzyme activities and the carbonyl levels, than the rest of the gill tissue. This study provides the first evidence that one single epithelial cell may contain mitochondria with significantly different membrane potentials. Furthermore, we provide new insight into ROS and RNS formation in ex-vivo gill tissues which opens new perspectives for unraveling the different ecophysiological roles of ROS and RNS in multifunctional organs such as gills.