Direct spun aligned carbon nanotube web-reinforced proton exchange membranes for fuel cells

A new method combining electrospinning of SPEEK and direct spinning of CNT forests has been used to prepare sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK)/directly spinnable carbon nanotube (dsCNT) composite proton exchange membranes. The SPEEK/dsCNT membrane is more robust than SPEEK alone, and in a fuel cell significantly outperforms both SPEEK and the commercial Nafion 212 membranes.

The regulatory role of eNOS-derived nitric oxide on transcription in endothelial cells: Impact of S-nitrosylation on β-catenin signaling

Les cellules endothéliales forment une couche semi-perméable entre le sang et les organes. La prolifération, la migration et la polarisation des cellules endothéliales sont essentielles à la formation de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux préexistants, soit l’angiogenèse. Le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) peut activer la synthase endothéliale du monoxyde d’azote (eNOS) et induire la production de monoxyde d’azote (NO) nécessaire pour la régulation de la perméabilité vasculaire et l’angiogenèse. β- caténine est une composante essentielle du complexe des jonctions d’ancrage ainsi qu’un régulateur majeur de la voie de signalisation de Wnt/β-caténine dans laquelle elle se joint au facteur de transcription TCF/LEF et module l’expression de nombreux gènes, dont certains sont impliqués dans l’angiogenèse. La S-nitrosylation (SNO) est un mécanisme de régulation posttraductionnel des protéines par l’ajout d’un groupement nitroso au niveau de résidus cystéines. Le NO produit par eNOS peut induire la S-nitrosylation de la β−caténine au niveau des jonctions intercellulaires et moduler la perméabilité de l’endothélium. Il a d’ailleurs été montré que le NO peut contrôler l’expression génique par la transcription. Le but de cette thèse est d’établir le rôle du NO au sein de la transcription des cellules endothéliales, spécifiquement au niveau de l’activité de β-caténine. Le premier objectif était de déterminer si la SNO de la β-caténine affecte son activité transcriptionnelle. Nous avons montré que le NO inhibe l’activité transcriptionnelle de β- caténine ainsi que la prolifération des cellules endothéliales induites par l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Il est intéressant de constater que le VEGF, qui induit la production de NO via eNOS, réprime l’expression de AXIN2 qui est un gène cible de Wnt s’exprimant suite à la i i stimulation par Wnt3a et ce, dépendamment de eNOS. Nous avons identifié que la cystéine 466 de la β-caténine est un résidu essentiel à la modulation répressive de son activité transcriptionnelle par le NO. Lorsqu’il est nitrosylé, ce résidu est responsable de la perturbation du complexe de transcription formé de β-caténine et TCF-4 ce qui inhibe la prolifération des cellules endothéliales induite par la stimulation par Wnt3a. Puisque le NO affecte la transcription, nous avons réalisé l’analyse du transcriptome afin d’obtenir une vue d’ensemble du rôle du NO dans l’activité transcriptionnelle des cellules endothéliales. L’analyse différentielle de l’expression des gènes de cellules endothéliales montre que la répression de eNOS par siRNA augmente l’expression de gènes impliqués au niveau de la polarisation tels que : PARD3A, PARD3B, PKCZ, CRB1 et TJ3. Cette analyse suggère que le NO peut réguler la polarisation des cellules et a permis d’identifier des gènes responsables de l’intégrité des cellules endothéliales et de la réponse immunitaire. De plus, l’analyse de voies de signalisation par KEGG montre que certains gènes modulés par l’ablation de eNOS sont enrichis dans de nombreuses voies de signalisation, notamment Ras et Notch qui sont importantes lors de la migration cellulaire et la différenciation des cellules de têtes et de tronc (tip/stalk). Le regroupement des gènes exprimés chez les cellules traitées au VEGF (déplétées de eNOS ou non) révèle que le NO peut affecter l’expression de gènes contribuant au processus angiogénique, dont l’attraction chimiotactique. Notre étude montre que le NO module la transcription des cellules endothéliales et régule l’expression des gènes impliqués dans l’angiogenèse et la fonction endothéliale.

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Integrated micro fuel cells with on-board hydride reactors and autonomous control schemes

Miniaturization of power generators to the MEMS scale, based on the hydrogen-air fuel cell, is the object of this research. The micro fuel cell approach has been adopted for advantages of both high power and energy densities. On-board hydrogen production/storage and an efficient control scheme that facilitates integration with a fuel cell membrane electrode assembly (MEA) are key elements for micro energy conversion. Millimeter-scale reactors (ca. 10 µL) have been developed, for hydrogen production through hydrolysis of CaH2 and LiAlH4, to yield volumetric energy densities of the order of 200 Whr/L. Passive microfluidic control schemes have been implemented in order to facilitate delivery, self-regulation, and at the same time eliminate bulky auxiliaries that run on parasitic power. One technique uses surface tension to pump water in a microchannel for hydrolysis and is self-regulated, based on load, by back pressure from accumulated hydrogen acting on a gas-liquid microvalve. This control scheme improves uniformity of power delivery during long periods of lower power demand, with fast switching to mass transport regime on the order of seconds, thus providing peak power density of up to 391.85 W/L. Another method takes advantage of water recovery by backward transport through the MEA, of water vapor that is generated at the cathode half-cell reaction. This regulation-free scheme increases available reactor volume to yield energy density of 313 Whr/L, and provides peak power density of 104 W/L. Prototype devices have been tested for a range of duty periods from 2-24 hours, with multiple switching of power demand in order to establish operation across multiple regimes. Issues identified as critical to the realization of the integrated power MEMS include effects of water transport and byproduct hydrate swelling on hydrogen production in the micro reactor, and ambient relative humidity on fuel cell performance.

The regulatory role of eNOS-derived nitric oxide on transcription in endothelial cells: Impact of S-nitrosylation on β-catenin signaling

Les cellules endothéliales forment une couche semi-perméable entre le sang et les organes. La prolifération, la migration et la polarisation des cellules endothéliales sont essentielles à la formation de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux préexistants, soit l’angiogenèse. Le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) peut activer la synthase endothéliale du monoxyde d’azote (eNOS) et induire la production de monoxyde d’azote (NO) nécessaire pour la régulation de la perméabilité vasculaire et l’angiogenèse. β- caténine est une composante essentielle du complexe des jonctions d’ancrage ainsi qu’un régulateur majeur de la voie de signalisation de Wnt/β-caténine dans laquelle elle se joint au facteur de transcription TCF/LEF et module l’expression de nombreux gènes, dont certains sont impliqués dans l’angiogenèse. La S-nitrosylation (SNO) est un mécanisme de régulation posttraductionnel des protéines par l’ajout d’un groupement nitroso au niveau de résidus cystéines. Le NO produit par eNOS peut induire la S-nitrosylation de la β−caténine au niveau des jonctions intercellulaires et moduler la perméabilité de l’endothélium. Il a d’ailleurs été montré que le NO peut contrôler l’expression génique par la transcription. Le but de cette thèse est d’établir le rôle du NO au sein de la transcription des cellules endothéliales, spécifiquement au niveau de l’activité de β-caténine. Le premier objectif était de déterminer si la SNO de la β-caténine affecte son activité transcriptionnelle. Nous avons montré que le NO inhibe l’activité transcriptionnelle de β- caténine ainsi que la prolifération des cellules endothéliales induites par l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Il est intéressant de constater que le VEGF, qui induit la production de NO via eNOS, réprime l’expression de AXIN2 qui est un gène cible de Wnt s’exprimant suite à la i i stimulation par Wnt3a et ce, dépendamment de eNOS. Nous avons identifié que la cystéine 466 de la β-caténine est un résidu essentiel à la modulation répressive de son activité transcriptionnelle par le NO. Lorsqu’il est nitrosylé, ce résidu est responsable de la perturbation du complexe de transcription formé de β-caténine et TCF-4 ce qui inhibe la prolifération des cellules endothéliales induite par la stimulation par Wnt3a. Puisque le NO affecte la transcription, nous avons réalisé l’analyse du transcriptome afin d’obtenir une vue d’ensemble du rôle du NO dans l’activité transcriptionnelle des cellules endothéliales. L’analyse différentielle de l’expression des gènes de cellules endothéliales montre que la répression de eNOS par siRNA augmente l’expression de gènes impliqués au niveau de la polarisation tels que : PARD3A, PARD3B, PKCZ, CRB1 et TJ3. Cette analyse suggère que le NO peut réguler la polarisation des cellules et a permis d’identifier des gènes responsables de l’intégrité des cellules endothéliales et de la réponse immunitaire. De plus, l’analyse de voies de signalisation par KEGG montre que certains gènes modulés par l’ablation de eNOS sont enrichis dans de nombreuses voies de signalisation, notamment Ras et Notch qui sont importantes lors de la migration cellulaire et la différenciation des cellules de têtes et de tronc (tip/stalk). Le regroupement des gènes exprimés chez les cellules traitées au VEGF (déplétées de eNOS ou non) révèle que le NO peut affecter l’expression de gènes contribuant au processus angiogénique, dont l’attraction chimiotactique. Notre étude montre que le NO module la transcription des cellules endothéliales et régule l’expression des gènes impliqués dans l’angiogenèse et la fonction endothéliale.

Síntese, estudo cinético e análise microestrutural do sistema cério-níquel obtido pelo método pechini

The cerium oxide has a high potential for use in removing pollutants after combustion, removal of organic matter in waste water and the fuel-cell technology. The nickel oxide is an attractive material due to its excellent chemical stability and their optical properties, electrical and magnetic. In this work, CeO2-NiO- systems on molars reasons 1:1(I), 1:2(II) e 1:3(III) metal-citric acid were synthesized using the Pechini method. We used techniques of TG / DTG and ATD to monitor the degradation process of organic matter to the formation of the oxide. By thermogravimetric analysis and applying the dynamic method proposed by Coats-Redfern, it was possible to study the reactions of thermal decomposition in order to propose the possible mechanism by which the reaction takes place, as well as the determination of kinetic parameters as activation energy, Ea, pre-exponential factor and parameters of activation. It was observed that both variables exert a significant influence on the formation of complex polymeric precursor. The model that best fitted the experimental data in the dynamic mode was R3, which consists of nuclear growth, which formed the nuclei grow to a continuous reaction interface, it proposes a spherical symmetry (order 2 / 3). The values of enthalpy of activation of the system showed that the reaction in the state of transition is exothermic. The variables of composition, together with the variable temperature of calcination were studied by different techniques such as XRD, IV and SEM. Also a study was conducted microstructure by the Rietveld method, the calculation routine was developed to run the package program FullProf Suite, and analyzed by pseudo-Voigt function. It was found that the molar ratio of variable metal-citric acid in the system CeO2-NiO (I), (II), (III) has strong influence on the microstructural properties, size of crystallites and microstrain network, and can be used to control these properties

Platinum–tin/carbon catalysts for ethanol oxidation: Influence of Sn content on the electroactivity and structural characteristics

Carbon-supported Pt–Sn catalysts commonly contain Pt–Sn alloy and/or Pt–Sn bimetallic systems (Sn oxides). Nevertheless, the origin of the promotion effect due to the presence of Sn in the Pt–Sn/C catalyst towards ethanol oxidation in acid media is still under debate and some contradictions. Herein, a series of Ptx–Sny/C catalysts with different atomic ratios are synthesized by a deposition process using formic acid as the reducing agent. Catalysts structure and chemical compositions are investigated by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and their relationship with catalytic behavior towards ethanol electro-oxidation was established. Geometric structural changes are producing by highest Sn content (Pt1–Sn1/C) promoted the interaction of Pt and Sn forming a solid solution of Pt–Sn alloy phase, whereas, the intermediate and lowest Sn content (Pt2–Sn1/C and Pt3–Sn1/C, respectively) promoted the electronic structure modifications of Pt by Sn addition without the formation of a solid solution. The amount of Sn added affects the physical and chemical characteristics of the bimetallic catalysts as well as reducing the amount of Pt in the catalyst composition and maintaining the electrocatalytic activities at the anode. However, the influence of the Sn oxidation state in Pt–Sn/C catalysts surfaces and the alloy formation between Pt and Sn as well as with the atomic ratio on their catalytic activity towards ethanol oxidation appears minimal. Similar methodologies applied for synthesis of Ptx–Sny/C catalysts with a small change show differences with the results obtained, thus highlighting the importance of the conditions of the preparation method.

High Pressure and Low Temperature Study of Ammonia Borane and Lithium Amidoborane

Hydrogen has been considered as a potentially efficient and environmentally friendly alternative energy solution. However, one of the most important scientific and technical challenges that the “hydrogen economy” faces is the development of safe and economically viable on-board hydrogen storage for fuel cell applications, especially to the transportation sector. Ammonia borane (BH3NH3), a solid state hydrogen storage material, possesses exceptionally high hydrogen content (19.6 wt%).However, a fairly high temperature is required to release all the hydrogen atoms, along with the emission of toxic borazine. Recently research interests are focusing on the improvement of H2 discharge from ammonia borane (AB) including lowering the dehydrogenation temperature and enhancing hydrogen release rate using different techniques. Till now the detailed information about the bonding characteristics of AB is not sufficient to understand details about its phases and structures. Elemental substitution of ammonia borane produces metal amidoboranes. Introduction of metal atoms to the ammonia borane structure may alter the bonding characteristics. Lithium amidoborane is synthesized by ball milling of ammonia borane and lithium hydride. High pressure study of molecular crystal provides unique insight into the intermolecular bonding forces and phase stability. During this dissertation, Raman spectroscopic study of lithium amidoborane has been carried out at high pressure in a diamond anvil cell. It has been identified that there is no dihydrogen bond in the lithium amidoborane structure, whereas dihydrogen bond is the characteristic bond of the parent compound ammonia borane. It has also been identified that the B-H bond becomes weaker, whereas B-N and N-H bonds become stronger than those in the parent compound ammonia borane. At high pressure up to 15 GPa, Raman spectroscopic study indicates two phase transformations of lithium amidoborane, whereas synchrotron X-ray diffraction data indicates only one phase transformation of this material. Pressure and temperature has a significant effect on the structural stability of ammonia borane. This dissertation explored the phase transformation behavior of ammonia borane at high pressure and low temperature using in situ Raman spectroscopy. The P-T phase boundary between the tetragonal (I4mm) and orthorhombic (Pmn21) phases of ammonia borane has been determined. The transition has a positive Clapeyron slope which indicates the transition is of exothermic in nature. Influence of nanoconfinemment on the I4mm to Pmn21 phase transition of ammonia borane was also investigated. Mesoporus silica scaffolds SBA-15 with pore size of ~8 nm and MCM-41 with pore size of 2.1-2.7 nm, were used to nanoconfine ammonia borane. During cooling down, the I4mm to Pmn21 phase transition was not observed in MCM-41 nanoconfined ammonia borane, whereas the SBA-15 nanocondfined ammonia borane shows the phase transition at ~195 K. Four new phases of ammonia borane were also identified at high pressure up to 15 GPa and low temperature down to 90 K.

Efeito dos dióxidos de enxofre e de nitrogênio no desempenho de uma célula a combustível de membrana de intercâmbio de prótons

There is presently much interest in the clean and efficient generation of energy by proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), using hydrogen as fuel. The generation of hydrogen by the reforming of other fuels, anaerobic fermentation of residual waters and other methods, often produce contaminants that affect the performance of the cell. In this work, the effect of gaseous SO2 and NO2 on the performance of a H2/O2 single PEMFC is studied. The results show that SO2 decreases irreversibly the performance of the cell under operating conditions, while NO2 has a milder effect that allows the recovery of the system.

Ethanol electrooxidation on Pt-Sn and Pt-Sn-W bulk alloys

Ethanol oxidation has been studied on Pt-Sn and Pt-Sn-W electrodes prepared in an arc-melting furnace. Different electrochemical techniques like cyclic voltammetry and chronoamperometry were used to evaluate the catalytic activity of these materials. The electro-oxidation process was also investigated by in situ infrared reflectance spectroscopy in order to determine adsorbed intermediates and reaction products. Experimental results indicated that Pt-Sn and Pt-Sn-W alloys are able to oxidize ethanol mainly to acetaldehyde and acetic acid. Adsorbed CO was also detected, demonstrating the viability of splitting the C-C bond in the ethanol molecule during the oxidation process. The adsorbed CO was further oxidized to CO2.This reaction product was clearly detected by SNIFTIRS. Pt-Sn-W catalyst showed a better electrochemical performance than Pt-Sn that, in it turn, is better than Pt-alone.

Gold is not a Faradaic-Efficient Borohydride Oxidation Electrocatalyst: An Online Electrochemical Mass Spectrometry Study

Direct borohydride fuel cells are promising high energy density portable generators. However, their development remains limited by the complexity of the anodic reaction: The borohydride oxidation reaction (BOR) kinetics is slow and occurs at high overvoltages, while it may compete with the heterogeneous hydrolysis of BH(4)(-). Nevertheless, one usually admits that gold is rather inactive toward the heterogeneous hydrolysis of BH(4)(-) and presents some activity regarding the BOR, therefore yielding to the complete eight-electron BOR. In the present paper, by coupling online mass spectrometry to electrochemistry, we in situ monitored the H(2) yield during BOR experiments on sputtered gold electrodes. Our results show non-negligible H(2) generation on Au on the whole BOR potential range (0-0.8 V vs reversible hydrogen electrode), thus revealing that gold cannot be considered as a faradaic-efficient BOR electrocatalyst. We further propose a relevant reaction pathway for the BOR on gold that accounts for these findings.

Nanogravimetric and voltammetric studies of a Pt-Rh alloy surface and its behavior for methanol oxidation

This paper describes the preparation of a Pt-Rh alloy surface electrodeposited on Pt electrodes and its electrocatalytic characterization for methanol oxidation. The X-ray photoelectronic spectroscopy ( XPS) results demonstrate that the surface composition is approximately 24 at-% Rh and 76 % Pt. The cyclic voltammetry (CV) and electrochemical quartz crystal (EQCN) results for the alloy were associated, for platinum, to the well known profile in acidic medium. For Rh, on the alloy, the generation of rhodium hydroxide species (Rh(OH)(3) and RhO(OH)(3)) was measured. During the successive oxidation-reduction cycles the mass returns to its original value, indicating the reversibility of the processes. It was not observed rhodium dissolution during the cycling. The 76/24 at % Pt-Rh alloy presented singular electrocatalytic activity for methanol electrooxidation, which started at more negative potentials compared to pure Pt (70 mV). During the sweep towards more negative potentials, there is only weak CO re-adsorption on both Rh and Pt-Rh alloy surfaces, which can be explained by considering the interaction energy between Rh and CO.

Anaerobic degradation of linear alkylbenzene sulfonate (LAS) in fluidized bed reactor by microbial consortia in different support materials

Four anaerobic fluidized bed reactors filled with activated carbon (R1), expanded clay (R2), glass beads (R3) and sand (R4) were tested for anaerobic degradation of LAS. All reactors were inoculated with sludge from a UASB reactor treating swine wastewater and were fed with a synthetic substrate supplemented with approximately 20 mg l(-1) of LAS, on average. To 560 mg l(-1) COD influent, the maximum COD and LAS removal efficiencies were mean values of 97 +/- 2% and 99 +/- 2%, respectively, to all reactors demonstrating the potential applicability of this reactor configuration for treating LAS. The reactors were kept at 30 degrees C and operated with a hydraulic retention time (HRT) of 18 h. The use of glass beads and sand appear attractive because they favor the development of biofilms capable of supporting LAS degradation. Subsequent 16S rRNA gene sequencing and phylogenetic analysis of samples from reactors R3 and R4 revealed that these reactors gave rise to broad microbial diversity, with microorganisms belonging to the phyla Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria and Proteobacteria, indicating the role of microbial consortia in degrading the surfactant LAS. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Ultramicroporous membranes for hydrogen separation

Fuel cell systems offer excellent efficiencies when compared to internal combustion engines, which result in reduced fuel consumption and greenhouse gas emissions. One of the areas requiring research for the success of fuel cell technology is the H2 fuel purification to reduce CO, which is a poison to fuel cells. Molecular sieve silica (MSS) membranes have a potential application in this area. In this work showed activated transport, a characteristic of ultramicroporous (dp