Ni/Pd@MIL-101: Synergistic Catalysis with Cavity-Conform Ni/Pd Nanoparticles

Deutsche Forschungsgemeinschaft [SFB 840]

Subdivision of Hysteresis Loss in Mn-Zn Ferrite Toroidal Cores

The hysteresis loss subdivision method proved to be a strong tool to help in the analysis of different energy dissipation mechanisms along the quasi-static hysteresis loop measured on electrical steels. This paper used the samemethod to discuss the mechanisms involving the energy loss dissipation in Mn-Zn ferrite toroidal cores. The samples, sintered under controlled atmosphere in industrial conditions, were measured under triangular waveform excitation at very low frequency (5 mHz) and peak flux densities varying from 0.05 T to 0.45 T. The results show a different behavior between the low inductions hysteresis loss (WLI) and the high induction hysteresis loss (WHI) which proves the existence of different energy dissipation mechanisms affecting these loss components.

Field dependent transition to the non-linear regime in magnetic hyperthermia experiments: Comparison between maghemite, copper, zinc, nickel and cobalt ferrite nanoparticles of similar sizes

Further advances in magnetic hyperthermia might be limited by biological constraints, such as using sufficiently low frequencies and low field amplitudes to inhibit harmful eddy currents inside the patient's body. These incite the need to optimize the heating efficiency of the nanoparticles, referred to as the specific absorption rate (SAR). Among the several properties currently under research, one of particular importance is the transition from the linear to the non-linear regime that takes place as the field amplitude is increased, an aspect where the magnetic anisotropy is expected to play a fundamental role. In this paper we investigate the heating properties of cobalt ferrite and maghemite nanoparticles under the influence of a 500 kHz sinusoidal magnetic field with varying amplitude, up to 134 Oe. The particles were characterized by TEM, XRD, FMR and VSM, from which most relevant morphological, structural and magnetic properties were inferred. Both materials have similar size distributions and saturation magnetization, but strikingly different magnetic anisotropies. From magnetic hyperthermia experiments we found that, while at low fields maghemite is the best nanomaterial for hyperthermia applications, above a critical field, close to the transition from the linear to the non-linear regime, cobalt ferrite becomes more efficient. The results were also analyzed with respect to the energy conversion efficiency and compared with dynamic hysteresis simulations. Additional analysis with nickel, zinc and copper-ferrite nanoparticles of similar sizes confirmed the importance of the magnetic anisotropy and the damping factor. Further, the analysis of the characterization parameters suggested core-shell nanostructures, probably due to a surface passivation process during the nanoparticle synthesis. Finally, we discussed the effect of particle-particle interactions and its consequences, in particular regarding discrepancies between estimated parameters and expected theoretical predictions. Copyright 2012 Author(s). This article is distributed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. [http://dx.doi. org/10.1063/1.4739533]

Adsorption of NO on the Rh-13, Pd-13, Ir-13, and Pt-13 Clusters: A Density Functional Theory Investigation

The adsorption of NO on transition-metal (TM) surfaces has been widely studied by experimental and theoretical techniques; however, our atomistic understanding of the interaction of nitrogen monoxide (NO) with small TM clusters is far from satisfactory, which compromises a deep understanding of real catalyst devices. In this study, we report a density functional theory study of the adsorption properties of NO on the TM13 (TM = Rh, Pd, Ir, Pt) clusters employing the projected augmented wave method. We found that the interaction of NO with TM13 is much more complex than that for NO/TM(111). In particular, for low symmetry TM13 clusters, there is a strong rearrangement of the electronic charge density upon NO adsorption and, as a consequence, the adsorption energy shows a very complex dependence even for adsorption sites with the same local effective coordination. We found a strong enhancement of the binding energy of NO to the TM13 clusters compared with the TM(111) surfaces, as the antibonding NO states are not occupied for NO/TM13, and the general relationship based on the d-band model between adsorption energy and the center of gravity of the occupied d-states does not hold for the studied TM13 clusters, in particular, for clusters with low symmetry. In contrast with the adsorption energy trends, the geometric NO/TM13 parameters and the vibrational N-O frequencies for different coordination sites follow the same trend as for the respective TM(111) surfaces, while the changes in the frequencies between different surfaces and TM13 clusters reflect the strong NO-TM13 interaction.

Preparation and Structural Characterization of Vulcanized Natural Rubber Nanocomposites Containing Nickel-Zinc Ferrite Nanopowders

Single-phase polycrystalline mixed nickel-zinc ferrites belonging to Ni0.5Zn0.5Fe2O4 were prepared on a nanometric scale (mean crystallite size equal to 14.7 nm) by chemical synthesis named the modified poliol method. Ferrite nanopowder was then incorporated into a natural rubber matrix producing nanocomposites. The samples were investigated by means of infrared spectroscopy, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and magnetic measurements. The obtained results suggest that the base concentration of nickel-zinc ferrite nanoparticles inside the polymer matrix volume greatly influences the magnetic properties of nanoconnposites. A small quantity of nanoparticles, less than 10 phr, in the nanocomposite is sufficient to produce a small alteration in the semi-crystallinity of nanocomposites observed by X-ray diffraction analysis and it produces a flexible magnetic composite material with a saturation magnetization, a coercivity field and an initial magnetic permeability equal to 3.08 emu/g, 99.22 Oe and 9.42 X 10(-5) respectively.

Magnetic hyperthermia investigation of cobalt ferrite nanoparticles: Comparison between experiment, linear response theory, and dynamic hysteresis simulations

Considerable effort has been made in recent years to optimize materials properties for magnetic hyperthermia applications. However, due to the complexity of the problem, several aspects pertaining to the combined influence of the different parameters involved still remain unclear. In this paper, we discuss in detail the role of the magnetic anisotropy on the specific absorption rate of cobalt-ferrite nanoparticles with diameters ranging from 3 to 14 nm. The structural characterization was carried out using x-ray diffraction and Rietveld analysis and all relevant magnetic parameters were extracted from vibrating sample magnetometry. Hyperthermia investigations were performed at 500 kHz with a sinusoidal magnetic field amplitude of up to 68 Oe. The specific absorption rate was investigated as a function of the coercive field, saturation magnetization, particle size, and magnetic anisotropy. The experimental results were also compared with theoretical predictions from the linear response theory and dynamic hysteresis simulations, where exceptional agreement was found in both cases. Our results show that the specific absorption rate has a narrow and pronounced maxima for intermediate anisotropy values. This not only highlights the importance of this parameter but also shows that in order to obtain optimum efficiency in hyperthermia applications, it is necessary to carefully tailor the materials properties during the synthesis process. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4729271]

Layer-by-Layer assembled cobalt ferrite nanoparticles for chemical sensing

Ultra-thin (thicknesses of 50-90 nm) nanocomposite films of cobalt ferrite nanoparticles (np-CoFe2O4, 18 nm in diameter) and polyelectrolytes (doped polyaniline-PANI, poly-3,4-ethylenedioxy thiophene: polystyrene sulfonic acid-PEDOT:PSS, and sulfonated lignin-SL) are assembled layer-by-layer onto interdigitated microelectrodes aiming at to create novel nanostructured sensoactive materials for liquid media chemical sensors. The nanocomposites display a distinctive globular morphology with nanoparticles densely-packed while surrounded by polyelectrolytes. Due to the presence of np-CoFe2O4 the nanocomposites display low electrical conductivity according to impedance data. On the other hand, this apparent shortcoming turns such nanocomposites much more sensitive to the presence of ions in solution than films made exclusively of conducting polyelectrolytes. For example, the electrical resistance of np-CoFe2O4/PEDOT:PSS and PANI/SL/np-CoFe2O4/SL architectures has a 10-fold decrease when they are immersed in 20 mmol. L-1 NaCl solution. Impedance spectra fitted with the response of an equivalent circuit model suggest that the interface created between nanoparticles and polyelectrolytes plays a major role on the nanocomposites electrical/dielectrical behavior. Since charge transport is sensitive to nanoparticle-polyelectrolyte interfaces as well as to the physicochemical conditions of the environment, the np-CoFe2O4-based nanocomposites can be used as sensing elements in chemical sensors operated under ac regime and room temperature.

Dielectric properties of cobalt ferrite nanoparticles in ultrathin nanocomposite films

Multilayered nanocomposite films (thickness 50-90 nm) of cobalt ferrite nanoparticles (np-CoFe2O4, 18 nm) were deposited on top of interdigitated microelectrodes by the layer-by-layer technique in order to study their dielectric properties. For that purpose, two different types of nanocomposite films were prepared by assembling np-CoFe2O4 either with poly(3,4-ethylenedioxy thiophene):poly(styrene sulfonic acid) or with polyaniline and sulfonated lignin. Despite the different film architectures, the morphology of both was dominated by densely-packed layers of nanoparticles surrounded by polyelectrolytes. The dominant effect of np-CoFe2O4 was also observed after impedance spectroscopy measurements, which revealed that dielectric behavior of the nanocomposites was largely influenced by the charge transport across nanoparticle-polyelectrolyte interfaces. For example, nanocomposites containing np-CoFe2O4 exhibited a single low-frequency relaxation process, with time constants exceeding 15 ms. At 1 kHz, the dielectric constant and the dissipation factor (tan ᵟ) of these nanocomposites were 15 and 0.15, respectively. These values are substantially inferior to those reported for pressed pellets made exclusively of similar nanoparticles. Impedance data were further fitted with equivalent circuit models from which individual contributions of particle's bulk and interfaces to the charge transport within the nanocomposites could be evaluated. The present study evidences that such nanocomposites display a dielectric behavior dissimilar from that exhibited by their individual counterparts much likely due to enlarged nanoparticle- polyelectrolyte interfaces.

Sintesi di catalizzatori supportati Pd/Cu e studio della loro reattività per l'idrodeclorurazione di molecole clorofluorurate

Il Protocollo di Montreal, che succede alla Convenzione di Vienna per la protezione dello strato di ozono richiede l’eliminazione di idrocarburi contenenti cloro (CFC). Nel corso degli ultimi decenni ha quindi assunto importanza la reazione di idrodeclorurazione di clorofluorocarburi, in particolare rivolta alla produzione di idrocarburi fluorurati che sono risultati interessanti per la produzione di polimeri con specifiche caratteristiche di resistenza meccanica, termica e chimica. In questo lavoro di tesi, svolto in collaborazione con SOLVAY SPECIALTY POLYMERS ITALY, sono stati studiati catalizzatori innovativi per la produzione di perfluorometilviniletere (MVE), mediante idrodeclorurazione di perfluorometilcloroviniletere (AM). Attualmente la reazione di produzione industriale dell’MVE, condotta con l'utilizzo di quantità stechiometriche di Zn e dimetilformammide (DMF), presenta il notevole problema dello smaltimento di grandi quantità di zinco cloruro e di DMF. La reazione studiata, condotta in catalisi eterogenea, in presenta di H2, presenta una forte dipendenza dalla natura dei metalli utilizzati oltre che dal tipo di sintesi dei catalizzatori impiegati. Nell'ambito di questo lavoro è stato sviluppato un metodo, a basso impatto ambientale, per la sintesi si nanoparticelle preformate da utilizzare per la preparazione di catalizzatori supportati si TiO2 e SiO2. Le nanosospensioni ed i sistemi catalitici prodotti sono stati caratterizzati utilizzando diverse metodologie di analisi quali: XRD, XRF, TEM, TPR-MS, che hanno permesso di ottimizzare le diverse fasi della preparazione. Allo scopo di osservare effetti sinergici tra le specie utilizzate sono stati confrontati sistemi catalitici monometallici con sistemi bimetallici, rivelando interessanti implicazioni derivanti dall’utilizzo di fasi attive nanoparticellari a base di Pd e Cu. In particolare, è stato possibile apprezzare miglioramenti significativi nelle prestazioni catalitiche in termini di selettività a perfluorometilviniletere all’aumentare del contenuto di Cu. La via di sintesi ottimizzata e impiegata per la produzione di nanoparticelle bimetalliche è risultata una valida alternativa, a basso impatto ambientale, ai metodi di sintesi normalmente usati, portando alla preparazione di catalizzatori maggiormente attivi di quelli preparati con i metalli standard.

Physical model of PD behavior and relevant damage growth from micro-cavities in polyethylene-based material under AC voltage

In the framework of developing defect-based life models, in which breakdown is explicitly associated with partial discharge (PD)-induced damage growth from a defect, ageing tests and PD measurements were carried out in the lab on polyethylene (PE) layered specimens containing artificial cavities. PD activity was monitored continuously during aging. A quasi-deterministic series of stages can be observed in the behavior of the main PD parameters (i.e. discharge repetition rate and amplitude). Phase-resolved PD patterns at various ageing stages were reproduced by numerical simulation which is based on a physical discharge model devoid of adaptive parameters. The evolution of the simulation parameters provides insight into the physical-chemical changes taking place at the dielectric/cavity interface during the aging process. PD activity shows similar time behavior under constant cavity gas volume and constant cavity gas pressure conditions, suggesting that the variation of PD parameters may not be attributed to the variation of the gas pressure. Brownish PD byproducts, consisting of oxygen containing moieties, and degradation pits were found at the dielectric/cavity interface. It is speculated that the change of PD activity is related to the composition of the cavity gas, as well as to the properties of dielectric/cavity interface.

Sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle bimetalliche Pd/Au E Pd/Cu

I nanomateriali presentano proprietà molto differenti dai corrispondenti materiali bulk; per questo motivo, negli ultimi anni, se ne è sempre più diffuso l’utilizzo. In particolare, recentemente ha suscitato grande interesse l’impiego di nanoparticelle bimetalliche, le cui proprietà ottiche, morfologiche e dimensionali possono essere modulate sulla base della composizione. L’interesse del mondo industriale allo studio di materiali con dimensioni nano-metriche deriva principalmente dalle loro possibili applicazioni su grande scala ed è quindi di fondamentale importanza la messa a punto di metodologie di sintesi versatili, facilmente scalabili ed a basso impatto ambientale. L’ottimizzazione della sintesi è un aspetto molto importante in quanto deve assicurare un accurato controllo di forma, dimensioni e composizione. A tale scopo è stata sviluppata una sintesi a basso impatto ambientale, in acqua, basata sull’azione riducente del sistema glucosio – NaOH, che permette di ottenere nanoparticelle stabili e con dimensioni omogenee. Nel corso dello studio il riscaldamento è stato effettuato mediante un sistema a microonde: una tecnologia affidabile e sicura che permette un riscaldamento rapido ed omogeneo. La tesi ha come scopo:• l’ottimizzazione e la caratterizzazione di nanosospensioni monometalliche di Pd mediante la sintesi già ottimizzata in lavori precedenti per i metalli: Au, Ag e Cu; •lo studio di sistemi bimetallici Pd/Cu e Pd/Au con morfologia di lega, ottenuti per co-riduzione dei sali precursori; •lo studio dell’attività catalitica delle nanoparticelle sintetizzate nella reazione di riduzione del 4-nitrofenolo a 4-amminofenolo mediante NaBH4; •lo studio della supportazione su carbone di Pd/Au per applicazioni elettrocatalitiche. Per poter studiare e valutare l’eventuale presenza di effetti sinergici tra i metalli coinvolti nella sintesi sono stati confrontati sistemi monometallici con sistemi bimetallici a differenti composizioni (Pd/Cu e Pd/Au). In particolare è stato possibile apprezzare un miglioramento delle prestazioni catalitiche per i sistemi bimetallici Pd/Au rispetto ai metalli di partenza, al contrario i sistemi bimetallici Pd/Cu mostrano un peggioramento dell’attività catalitica all’aumentare del contenuto di rame. La nanosospensione Pd/Au risultata con le maggiori prestazioni catalitiche, è stata supportata su carbone per applicazioni nel campo dell’elettrocatalisi. Da uno studio preliminare sulle tecniche di supportazione è emerso che il metodo migliore per depositare le nanoparticelle sul carbone è l’impregnazione fisica.

Messung von Q beta-Werten neutronenreicher Tc- bis Pd-Isotope im Massenbereich A=110 bis A=117

In der vorliegenden Arbeit wurden zwölf Q(beta)-Werte von beta-instabilen Pd, Ru, Rh und Tc-Isotopen gemessen. Der betrachtete Massenbereich A=110 bis A=117 liegt am Rande des bekannten Gebiets der Nuklidkarte und umfasst sehr neutronenreiche kurzlebige Isotope dieser Elemente, die sich durch geringe Spalthäufigkeit auszeichnen. Durch die geringen (Spalt-)Häufigkeiten dieser Nuklide liegen kaum Daten vor, teilweise auch nicht über die Niveauschemata. Es ist daher notwendig, eine protoneninduzierte Spaltungsreaktion zur Darstellung dieser Isotope zu verwenden und die Spaltprodukte innerhalb kürzester Zeit für die Messung nach Massen aufzutrennen, wie dies am IGISOL in Jyväskylä/Finnland geschieht. Die aufgebaute Apparatur zur beta,gamma,X-Koinzidenz erlaubt es, während ein und desselben Experiments neben der Messung der Q(beta)-Werte gleichzeitig gamma,X-Koinzidenzen auszuwerten, die die benötigten Grundinformationen für die Q(beta)-Bestimmung über die beta,gamma-Koinzidenzen liefern. Es können somit nicht nur Q(beta)-Werte von Nukliden mit bereits bekannten Niveauschemata ermittelt, sondern auch erfolgreich Nuklide mit unvollständigen Niveauschemata einer ersten Messung unterzogen werden. Umgekehrt können beta,gamma-Koinzidenzdaten weitere Informationen zum Aufbau neuer Niveauschemata liefern. Mit Hilfe der beschriebenen Koinzidenzmessung konnten zwölf Q(beta)-Werte von sehr neutronenreichen Pd- bis Tc-Isotopen gemessen und daraus die Kernmassen, Massenüberschüsse und Neutronen-Separationsenergien bestimmt werden. Von diesen wurden acht Werte erstmalig bestimmt, ein weiterer Wert konnte bestätigt sowie die Fehler von drei weiteren Werten um den Faktor Zehn verringert werden. Die gewonnenen Daten sind von Interesse für die Beurteilung von Kernmassenmodellen und gehen ebenso in Modellrechnungen der nuklearen Astrophysik ein.

Ossidazione catalitica del 5-idrossimetilfurfurale con sistemi Pd/Au supportati su TiO2

Al giorno d’oggi, la produzione di energia e di molecole di base per l’industria chimica è completamente dipendente da risorse non rinnovabili come petrolio, carbone e gas naturale ; con tali risorse in via di esaurimento e la sempre crescente domanda di energia e materiali da parte di tutte le economie, risulta obbligatorio sviluppare tecniche per la loro produzione da risorse rinnovabili. Le biomasse, oltre ad essere una fonte rinnovabile, generano minori emissioni di gas serra rispetto ai combustibili fossili, perché la CO2 rilasciata nei processi di utilizzo viene bilanciata da quella consumata nel processo di crescita delle biomasse stesse. Tuttavia, ad oggi, lo sfruttamento di queste fonti risulta ancora sfavorito economicamente a causa di processi industriali non ancora ottimizzati, i cui costi si ripercuotono sul prodotto finale. Le molecole derivanti dagli scarti lignocellulosici possono essere usate come molecole di partenza per industrie chimiche di qualsiasi tipo, da quelle farmaceutiche a quelle plastiche. Queste molecole sono già parzialmente funzionalizzate; ciò significa che la sintesi di prodotti chimici specifici richiede un minor numero di stadi rispetto ai building blocks petroliferi, con conseguente diminuzione di prodotti di scarto e sottoprodotti . Una delle molecole “piattaforma” identificate tra le più importanti per la produzione di diversi prodotti chimici, risulta essere il 5-idrossimetilfurfurale (HMF) , derivante dalla disidratazione di polisaccaridi esosi, da cui si può ottenere tramite ossidazione selettiva, l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), potenziale sostituto dell’acido tereftalico nella produzione del PET e molti altri prodotti. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio della reattività di catalizzatori a base di Pd e Au/Pd utilizzati nella reazione di ossidazione dell’HMF a FDCA. Il lavoro svolto ha avuto come obiettivi principali: • L’ottimizzazione della sintesi di nanoparticelle di Pd e Au/Pd a diverso rapporto molare, e la caratterizzazione delle sospensioni ottenute mediante analisi DLS, XRD e TEM. • La preparazione di catalizzatori supportati su TiO2 e la caratterizzazione dei catalizzatori ottenuti tramite analisi BET, TEM e analisi termiche TGA/DSC. • Lo studio dell’attività catalitica dei catalizzatori preparati nell’ossidazione selettiva in fase liquida del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) ad acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA) e del meccanismo di reazione.

Proprietà morfologiche e strutturali di catalizzatori a base di Pt e Pd per la produzione di H2

In questo lavoro di tesi è stato affrontato uno studio mirato alla comprensione ed alla correlazione delle proprietà chimico-fisiche e morfologiche di catalizzatori a base di Pd/Pt supportati su allumina impiegati nella produzione di idrogeno mediante deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi contenenti elevati tenori di zolfo. La produzione di idrogeno mediante deidrogenazione parziale di fuel direttamente su aeromobili necessita di catalizzatori altamente performanti dei quali siano note tutte le caratteristiche in modo da prevedere, in un ampio margine di sicurezza, le possibili cause di malfunzionamento. L’applicabilità di materiali a base di Pd/Pt in questa reazione risiede nella loro capacità di resistere all’avvelenamento da zolfo, rivendicata in letteratura per reazioni di idrogenazione e della quale si sono trovate evidenze sperimentali in alcune prove preliminari svolte nello stesso ambito di ricerca. Le prove catalitiche hanno evidenziato che la deposizione su allumina dei due metalli in ragione di un rapporto molare Pd:Pt=2 con un carico di metalli complessivo del 2% in peso mostra i migliori risultati in termini di resistenza all’avvelenamento da zolfo e da deposizione di composti carboniosi.

Microscopia elettronica di nanoparticelle mg-pd e mg-ti per stoccaggio di idrogeno.

L'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico �è negli ultimi anni uno dei temi in maggior rilievo riguardo la sostenibilit�à energetica, questo per via della sua abbondanza in natura, della sua elevata energia chimica per unità di massa, e della non tossicità dei prodotti della sua combustione. Tuttavia non si conosce ancora una maniera e�fficiente di immagazzinarlo per poterlo utilizzare per applicazioni mobili. In questo lavoro di tesi sono state cresciute, e analizzate mediante microscopia elettronica, nanoparticelle di magnesio decorate con metalli di transizione (Pd e Ti), che si collocano tra i candidati più promettenti per lo stoccaggio di idrogeno a stato solido.