Copper/TEMPO catalysed synthesis of nitriles from aldehydes or alcohols using aqueous ammonia and with air as the oxidant†‡

Copper/TEMPO catalysts can be used to prepare nitriles from aldehydes or alcohols using aqueous ammonia. Readily accessible methods were developed that enable standard glassware to be used with air as the source of O2. It was further shown that, at higher temperatures in a pressurised reactor under limiting oxygen conditions (8% O2), catalyst loadings of 1 mol% could be employed.

Catalytic conversion of sodium lignosulphonate to vanillin –engineering aspects. Part 1 Effect of processing conditionson vanillin yield and selectivity

The commercial production of vanillin from sodium lignosulfonate under highly alkaline conditions, catalyzed by Cu2+ at elevated temperature and pressures up to 10 bar, has been simulated in a 3-L stirred reactor. Initially, the process was operated in the presence of nitrogen in dead-end mode, and it was shown that vanillin and vanillic acid were formed by hydrolysis at temperatures of 120, 140, and 160 °C. At the two higher temperatures, the amount of vanillin produced was the same. Subsequently, experiments were conducted at the same elevated pressures and temperatures with addition of air or oxygen-enriched air once the temperature in the reactor had reached temperatures similar to those used when only hydrolysis occurred. In this case, the concentration of vanillin at 140 and 160 °C was equal to that due to hydrolysis, and the subsequent 2-fold increase was due to oxidation. In addition, both vanillic acid and acetovanillone (which has rarely been reported) were produced, as was hydrogen. Thus, for the first time, it has been shown that the production of vanillin (and other compounds) from sodium lignosulfonate at elevated temperatures involves hydrolysis and oxidation, with hydrolysis starting at just above 100 °C, that is, much lower than has previously been reported. Approximately 50% is produced by each mechanism. In addition, the orders of the reactions of the different steps were estimated, and the reaction mechanisms are discussed.

Controlling the Sulfur Poisoning of Ag/Al2O3 Catalysts for the Hydrocarbon SCR Reaction by Using a Regenerable SOx Trap

The deactivation of a silver-based hydrocarbon selective catalytic reduction catalyst by SOx and the subsequent regeneration under various operating conditions has been investigated. Using a sulfur trap based on a silica-supported catalyst it was found that, for a Ag/SiO2 + Ag/Al2O3 combination, the negative effect of SO2 on the n-octane-SCR reaction can be eliminated under normal operating conditions. The trap can be regenerated by hydrogen at low temperatures or at higher temperatures using a hydrocarbon reductant.

Idiosyncratic species effects confound size-based predictions of responses to climate change

Understanding and predicting the consequences of warming for complex ecosystems and indeed individual species remains a major ecological challenge. Here, we investigated the effect of increased seawater temperatures on the metabolic and consumption rates of five distinct marine species. The experimental species reflected different trophic positions within a typical benthic East Atlantic food web, and included a herbivorous gastropod, a scavenging decapod, a predatory echinoderm, a decapod and a benthic-feeding fish. We examined the metabolism-body mass and consumption-body mass scaling for each species, and assessed changes in their consumption efficiencies. Our results indicate that body mass and temperature effects on metabolism were inconsistent across species and that some species were unable to meet metabolic demand at higher temperatures, thus highlighting the vulnerability of individual species to warming. While body size explains a large proportion of the variation in species' physiological responses to warming, it is clear that idiosyncratic species responses, irrespective of body size, complicate predictions of population and ecosystem level response to future scenarios of climate change. © 2012 The Royal Society.

A combined transient and computational study of the dissociation of N(2)O on platinum catalysts

The energetics of the low-temperature adsorption and decomposition of nitrous oxide, N(2)O, on flat and stepped platinum surfaces were calculated using density-functional theory (DFT). The results show that the preferred adsorption site for N(2)O is an atop site, bound upright via the terminal nitrogen. The molecule is only weakly chemisorbed to the platinum surface. The decomposition barriers on flat (I 11) surfaces and stepped (211) surfaces are similar. While the barrier for N(2)O dissociation is relatively small, the surface rapidly becomes poisoned by adsorbed oxygen. These findings are supported by experimental results of pulsed N(2)O decomposition with 5% Pt/SiO(2) and bismuth-modified Pt/C catalysts. At low temperature, decomposition occurs but self-poisoning by O((ads)) prevents further decomposition. At higher temperatures some desorption Of O(2) is observed, allowing continued catalytic activity. The study with bismuth-modified Pt/C catalysts showed that, although the activation barriers calculated for both terraces and steps were similar, the actual rate was different for the two surfaces. Steps were found experimentally to be more active than terraces and this is attributed to differences in the preexponential term. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

A Temperature-Monitoring Vaginal Ring for Measuring Adherence

Background

Product adherence is a pivotal issue in the development of effective vaginal microbicides to reduce sexual transmission of HIV. To date, the six Phase III studies of vaginal gel products have relied primarily on self-reporting of adherence. Accurate and reliable methods for monitoring user adherence to microbicide-releasing vaginal rings have yet to be established.

Methods

A silicone elastomer vaginal ring prototype containing an embedded, miniature temperature logger has been developed and tested in vitro and in cynomolgus macaques for its potential to continuously monitor environmental temperature and accurately determine episodes of ring insertion and removal.

Results

In vitro studies demonstrated that DST nano-T temperature loggers encapsulated in medical grade silicone elastomer were able to accurately and continuously measure environmental temperature. The devices responded quickly to temperature changes despite being embedded in different thickness of silicone elastomer. Prototype vaginal rings measured higher temperatures compared with a subcutaneously implanted device, showed high sensitivity to diurnal fluctuations in vaginal temperature, and accurately detected periods of ring removal when tested in macaques.

Conclusions

Vaginal rings containing embedded temperature loggers may be useful in the assessment of product adherence in late-stage clinical trials.

Distribution of assimilated carbon within the plant and rhizosphere of Lolium perenne:Influence of temperature

Perennial rye-grass plants were pulse labelled with [¹⁴C]-CO₂ over a range of temperatures (5-25°C). The fate of the label was determined within the plant and soil. The temperature at which plants were pulse labelled had a marked effect on the distribution of the label within the plant and soil system. Root-soil respiration increased from 5.7 to 24.15% when expressed as a percentage of net assimilated label. The percentage of label remaining in the plant root and in the soil was greater at 5 and 25°C, with a minimum for both these components at 15°C. At 15°C the percentage of net assimilated label that remained in the shoots was greater than at other temperatures, with this percentage decreasing at the lower and higher temperatures. © 1989.

Electrochemical promotion of catalysis using solid-state proton-conducting membranes

A solid-state electrochemical reactor with ceramic proton-conducting membrane has been used to study the effect of electrochemically induced hydrogen spillover on the catalytic activity of platinum during ethylene oxidation. Suitable proton-conducting electrolyte membranes (Gd-doped BaPrO ₃ (BPG) and Y-doped BaZrO₃ (BZY)) were fabricated. These materials were chosen because of their protonic conductivity in the operational temperature region of the reaction (400-700 °C). The BZY-based electrochemical cell was used to investigate the open-circuit voltage (OCV) dependence on H₂ partial pressure with comparison being made to the theoretical OCV as predicted by the Nernst equation. Furthermore, the BZY pellets were used to study the effect of proton transfer of the catalytic activity of platinum during ethylene oxidation. The reaction was found to exhibit electrochemical promotion at 400 °C and to be electrophilic in nature, i.e. proton addition to the platinum surface resulted in an increase in reaction rate. At higher temperatures, the rate was not affected, within experimental error, by proton addition or removal. Under similar conditions, AC impedance showed that there was a large overall cell resistance at 400 °C with significantly decreased resistance at higher temperatures. It is possible that there could be a relationship between large cell resistances and the onset of electrochemical promotion in this system but there is, as yet, no conclusive evidence for this. © 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

A 250-year periodicity in Southern Hemisphere westerly winds over the last 2600 years

Southern Hemisphere westerly airflow has a significant influence on the ocean–atmosphere system of the mid- to high latitudes with potentially global climate implications. Unfortunately, historic observations only extend back to the late 19th century, limiting our understanding of multi-decadal to centennial change. Here we present a highly resolved (30-year) record of past westerly wind strength from a Falkland Islands peat sequence spanning the last 2600 years. Situated within the core latitude of Southern Hemisphere westerly airflow (the so-called furious fifties), we identify highly variable changes in exotic pollen and charcoal derived from South America which can be used to inform on past westerly air strength. We find a period of high charcoal content between 2000 and 1000 cal. years BP, associated with increased burning in Patagonia, most probably as a result of higher temperatures and stronger westerly airflow. Spectral analysis of the charcoal record identifies a pervasive ca. 250-year periodicity that is coherent with radiocarbon production rates, suggesting that solar variability has a modulating influence on Southern Hemisphere westerly airflow. Our results have important implications for understanding global climate change through the late Holocene.

Dielectronic recombination of W20 + (4d104f8): Addressing the half-open f shell

A recent measurement of the dielectronic recombination (DR) of W20+ [Schippers et al., Phys.Rev.A 83, 012711 (2011)] found an exceptionally large contribution from near-threshold resonances (1 eV). This still affected the Maxwellian rate coefficient at much higher temperatures. The experimental result was found to be higher by a factor of 4 or more than that currently in use in the 100- to 300-eV range, which is of relevance for modeling magnetic fusion plasmas. We have carried out DR calculations with AUTOSTRUCTURE which include all significant single-electron promotions. Our intermediate-coupling (IC) results are more than a factor of 4 larger than our LS-coupling ones at 1 eV but still lie a factor of 3 below experiment here. If we assume complete (chaotic)mixing of near-threshold autoionizing states, then our results come into agreement (to within 20%)with experiment below 2 eV. Our total IC Maxwellian rate coefficients are 50%–30% smaller than those based on experiment over 100–300 eV.

Effective collision strengths for forbidden transitions among the 3s23p3 fine-structure levels of Cl III

Effective collision strengths for the 10 astrophysically important fine-structure forbidden transitions among the ⁴S^o, ²D^o and ²P^o levels in the 3s²3p³ configuration of Cl III are presented. The calculation employs the multichannel R-matrix method to compute the electron-impact excitation collision strengths in a close-coupling expansion, which incorporates the lowest 23 LS target eigenstates of Cl III. These states are formed from the 3s²3p³, 3s3p⁴, 3s²3p²3d and 3s²3p²4s configurations. The Maxwellian-averaged effective collision strengths are presented graphically for all 10 fine-structure transitions over a wide range of electron temperatures appropriate for astrophysical applications [log T(K) = 3.3 - log T(K) = 5.9]. Comparisons are made with the earlier seven-state close-coupling calculation of Butler & Zeippen, and in general excellent agreement is found in the low-temperature region where a comparison is possible [log T(K) = 3.3 - log T(K) = 4.7]. However, discrepancies of up to 30 per cent are found to occur for the forbidden transitions which involve the ⁴S^o ground state level, particularly for the lowest temperatures considered. At the higher temperatures, the present data are the only reliable results currently available.

Effective collision strengths for fine-structure forbidden transitions among the 2s22p3 levels of Ne IV

Effective collision strengths for electron-impact excitation of the N-like ion NeIV are calculated in the close-coupling approximation using the multichannel R-matrix method. Specific attention is given to the 10 astrophysically important fine-structure forbidden transitions among the ⁴S^o, ²D^o and ²P^o levels in the 2s²2p³ ground-state configuration. The expansion of the total wavefunction incorporates the lowest 11 LS eigenstates of NeIV, consisting of eight n = 2 terms with configurations 2s²2p³, 2s2p⁴ and 2p⁵, together with three n = 3 states of configuration 2s²2p²3s. We present in graphical form the effective collision strengths obtained by thermally averaging the collision strengths over a Maxwellian distribution of velocities, for all 10 fine-structure transitions, over the range of electron temperatures log T(K) = 3.6 to log T(K) = 6.1 (the range appropriate for astrophysical applications). Comparisons are made with the earlier, less sophisticated close-coupling calculation of Giles, and excellent agreement is found in the limited temperature region where a comparison is possible [log T(K) = 3.7 to log 7(K) = 4.3]. At higher temperatures the present data are the only reliable results currently available.

Exploring the links between urban stucture and air quality

A poluição atmosférica constitui actualmente um grave problema ambiental cujos efeitos se fazem sentir a diversas escalas, desde os efeitos imediatos e de longo termo na saúde humana e nos materiais, até fenómenos regionais, como a acificação, e fenómenos globais que durante este século poderão alterar as condições de vida no globo. Apesar da redução das emissões de poluentes atmosféricos, conseguida através do uso de combustíveis mais limpos e tecnologias mais eficientes, as áreas urbanas continuam a evidenciar sinais de degradação ambiental. Para ser bem sucedida a cidade deve enfrentar as três dimensões da sustentabilidade: social, económica e ambiental. O modo de utilização do solo numa zona urbana é uma característica fundamental da cidade, com influência directa no seu desempenho ambiental e na qualidade de vida que proporciona à população. O presente trabalho explora a ligação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar, um dos muitos aspectos do desenvolvimento urbano sustentável. A perspectiva histórica sobre o desenvolvimento urbano, a poluição atmosférica e a sua interligação é abordada, bem como o trabalho de investigação que tem vindo a ser conduzido na área. A aplicação de um sistema de modelação atmosférico a um caso de estudo idealizado demonstra a importância da estrutura espacial da cidade na sustentabilidade urbana, mostrando que cidades compactas com usos do solo misturados promovem uma melhor qualidade do ar quando comparadas com cidades dispersas, com baixa densidade populacional. De modo a explorar a relação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar numa zona urbana real, a região urbana do Porto é identificada como um caso de estudo adequado, e o processo de crescimento urbano nas últimas décadas é analisado, assim como os níveis de qualidade do ar da região. De modo a definir a configuração do sistema de modelação mais adequada para a região de estudo, são efectuados diversos testes de sensibilidade com o modelo meteorológico. Relativamente ao modelo de qualidade do ar, é descrito e implementado um conjunto de acções de modo a melhorar o desempenho do modelo para a simulação das concentrações de poluentes na atmosfera urbana, no contexto de alterações do uso do solo. Finalmente, são desenvolvidos e testados, através da aplicação do sistema de modelação, dois cenários alternativos de desenvolvimento urbano para a área de estudo. Estes cenários alternativos implicam diferentes emissões de poluentes e diferentes distribuições espaciais dessas emissões, e como consequência, diferentes níveis de qualidade do ar. O estudo permite concluir que alterações nos padrões de uso do solo em áreas urbanas conduzem a alterações na meteorologia, emissões e qualidade do ar. As áreas urbanas dispersas, quando comparadas com estruturas urbanas compactas são responsáveis por temperaturas mais elevadas, emissões de poluentes para a atmosfera mais elevadas e maiores concentrações de poluentes.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Development of lithium disilicate based glass-ceramics

O principal objectivo deste estudo foi o desenvolvimento de vitrocerâmicos à base de dissilicato de lítio no sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2 contendo uma razão molar SiO2/Li2O muito afastada da do dissilicato de lítio (Li2Si2O5) usando composições simples e a técnica tradicional de fusão-vazamento de vidro de forma a obter materiais com propriedades mecânicas, térmicas, químicas e eléctricas superiores que permitam a utilização destes materiais em diversas aplicações funcionais. Investigou-se o fenómeno de separação de fases, a cristalização e as relações estrutura-propriedades de vidros nos sistemas Li2O-SiO2, Li2O-Al2O3-SiO2 e Li2O-K2O-Al2O3-SiO2. Os vidros nos sistemas Li2O-SiO2 e Li2O-Al2O3-SiO2 apresentaram fraca densificação e resultaram em materiais frágeis, contrastando com a boa sinterização dos vidros no sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2. Pequenas adições de Al2O3 e K2O ao sistema Li2O-SiO2 permitiram controlar a separação de fases devido à formação de espécies de Al(IV) que confirmaram o papel de Al2O3 como formador de rede. Os compactos de pó de vidro das composições contendo Al2O3 e K2O tratados termicamente resultaram em vitrocerâmicos bem densificados, apresentando dissilicato de lítio como a principal fase cristalina, e valores de resistência mecânica à flexão, resistência química e condutividade eléctrica (173-224 MPa, 25-50 mg/cm2 e ~2´10-18 S/cm, respectivamente) que possibilitam a utilização destes materiais em diversas aplicações funcionais. A adição de P2O5, TiO2 e ZrO2 ao sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2 como agentes nucleantes revelou que os vidros contendo apresentaram cristalização em volume, com a formação de metassilicato de lítio a temperaturas mais baixas e dissilicato de lítio para as temperaturas mais elevadas, enquanto a adição de zircónia reduz o grau de segregação, aumenta a polimerização da matriz vítrea e desloca o valor de Tg para temperaturas superiores, inibindo a cristalização.