New oxomolybdenum(VI) hybrid materials

In this thesis, 2,2’-bipyridine (bipy), di-tert-butyl-2,2’-bipyridine (di-t-Bubipy), 2,2’-bipyridine-5,5’-dicarboxylic acid (H2bpdc), 2-[3(5)-pyrazolyl]pyridine (pzpy) and 2-(1-pentyl-3-pyrazolyl)pyridine (pent-pp) ligands were used as the N,N-chelate ligands in the formation of discrete [MoO2Cl2L]-type complexes. These complexes were employed as precursors for the preparation in aqueous media of oxomolybdenum(VI) products with a wide range of structural diversity. Three distinct heating methods were studied: hydrothermal, reflux or microwave-assisted synthesis. An alternative reaction with the inorganic molybdenum(VI) trioxide (MoO3) and the ligands di-t-Bu-bipy, H2bpdc and pzpy was also investigated under hydrothermal conditions. The distinct nature of the N,N-chelate ligands and/or the heating method employed promoted the isolation of a series of new oxomolybdenum(VI) hybrid materials that clearly reflected the strong structure-directing influence of these ligands. Thus, this thesis describes the synthesis and characterization of the discrete mononuclear [MoO2Cl2(pent-pp)], the dinuclear [Mo2O6(di-t-Bu-bipy)2] and the octanuclear [Mo8O22(OH)4(di-t-Bu-bipy)4] complexes as well as the highly unique polymeric materials {[MoO3(bipy)][MoO3(H2O)]}n, (DMA)[MoO3(Hbpdc)]·nH2O, [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n (fine structural details of compound [Mo2O6(pent-pp)]n are presently unknown; however, characterization data strongly pointed toward a polymeric oxide hybrid compound). The catalytic behaviour of the discrete complexes and the polymeric compounds was tested in olefin epoxidation reactions. Compounds [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n acted as sources of soluble active species that where identified as the oxodiperoxido complexes [MoO(O2)2(pzpy)] and [MoO(O2)2(pent-pp)], respectively. The majority of the compounds here presented were fully characterized by using solid-state techniques, namely elemental analyses, thermogravimetry, FT-IR, solid-state NMR, electron microscopy and powder X-ray diffraction (both from laboratory and/or synchrotron sources).

Síntese e caracterização de redes metalo-orgânicas de fármacos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Detection of ZnS phases in CZTS thin-films by EXAFS

Copper zinc tin sulfide (CZTS) is a promising Earthabundant thin-film solar cell material; it has an appropriate band gap of ~1.45 eV and a high absorption coefficient. The most efficient CZTS cells tend to be slightly Zn-rich and Cu-poor. However, growing Zn-rich CZTS films can sometimes result in phase decomposition of CZTS into ZnS and Cu2SnS3, which is generally deleterious to solar cell performance. Cubic ZnS is difficult to detect by XRD, due to a similar diffraction pattern. We hypothesize that synchrotron-based extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), which is sensitive to local chemical environment, may be able to determine the quantity of ZnS phase in CZTS films by detecting differences in the second-nearest neighbor shell of the Zn atoms. Films of varying stoichiometries, from Zn-rich to Cu-rich (Zn-poor) were examined using the EXAFS technique. Differences in the spectra as a function of Cu/Zn ratio are detected. Linear combination analysis suggests increasing ZnS signal as the CZTS films become more Zn-rich. We demonstrate that the sensitive technique of EXAFS could be used to quantify the amount of ZnS present and provide a guide to crystal growth of highly phase pure films.

A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

Untersuchung von Autoionisationsresonanzen in Krypton und Xenon mit photoneninduzierter Fluoreszenzspektroskopie nach Anregung mit schmalbandiger Synchrotronstrahlung

Die photoneninduzierte Fluoreszenzspektroskopie (PIFS) wurde als Methode zur Untersuchung von Fluoreszenzspektren der Edelgasatome Krypton und Xenon nach Anregung mit Synchrotronstrahlung des Elektronenspeicherrings BESSY II, Berlin, benutzt. Die Anregung der Edelgase erfolgte bei Zimmertemperatur und einem Druck von 40mTorr mit extrem schmalbandiger Strahlung mit DeltaE=3meV bei 21,55eV. Die untersuchten Anregungsenergiebereiche waren bei Krypton zwischen 29,4eV und 29,8eV und bei Xenon zwischen 23,74eV und 23,80eV, zwischen 24,4eV und 24,7eV und zwischen 25,25eV und 25,5eV. Die Anregungsenergiebereiche waren so gewählt, um Autoionisationsresonanzen untersuchen zu können, die erstmalig von Codling und Madden [J. Res. Nat. B. Stan. 1972, 76A, 1-12] veröffentlicht worden sind. Besonders die Besetzung in Abhängigkeit der Anregungsenergie von Satellitenzuständen in den jeweiligen einfach geladenen Ionen durch vorherige Anregung der genannten Autoionisationsresonanzen war der Fokus der vorliegenden Arbeit.

Mikroanalytische Verfahren zur Untersuchung verschiedener Aspekte der Rissinitiierung und Rissausbreitung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden mikroanalytische Verfahren zur Untersuchung der verschiedenen Aspekte der Rissinitiierung und –Ausbreitung unter zyklischer Belastung angewendet und gekoppelt, um somit die Informationstiefe durch Korrelation der Ergebnisse zu vergrößern. Die eingesetzten mikroanalytischen Verfahren werden auf verschiedene polykristalline Werkstoffe mit kubisch-raumzentrierter und kubisch-flächenzentierter Gitterstruktur angewendet. Dabei steht der Einfluss der Mikrostruktur auf die Ausbreitung von Ermüdungsrissen in diesen Werkstoffen im Vordergrund. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten mikrostrukturellen Größen hinsichtlich der Rissinitiierung und -ausbreitung sind die Phasenverteilung, die Korngröße und –Orientierung, die plastische Verformung infolge von Versetzungsbewegungen und die lokale Beanspruchung. Die Methode der Beugung rückgestreuter Elektronen (EBSD) im Rasterelektronenmikroskop steht dabei im Vordergrund der Untersuchungen der mikrostrukturellen Größen. Zu dieser Methode werden Bildkorrelationsverfahren in ihrer Anwendung untersucht, um lokale Verformungen im Bereich der Rissspitze mikrostrukturell kurzer Risse zu erfassen. Die Kopplung der Verfahren liefert ein vertieftes Verständnis der Schädigungsprozesse bei Ermüdungsbelastung an der Oberfläche. Neben der Untersuchung oberflächenbasierter Aspekte bei der Initiierung und Ausbreitung mikro-strukturell kurzer Risse werden volumenbasierte Methoden in Form mikrocomputertomographischer Verfahren eingesetzt, um das Ausbreitungsverhalten nicht nur an der Oberfläche zu untersuchen, sondern auch zusätzlich in Tiefenrichtung. In diesem Zusammenhang werden in-situ Versuche mit hochbrillianter Röntgenstrahlung am Synchrotron SPring-8 vorgestellt und mittels Methoden der Volumenkorrelation ausgewertet. Die Kopplung der Ergebnisse aus den einzelnen analytischen Verfahren liefert ein Betrag zur Ursachenfindung von Rissinitiierung und –Ausbreitung auf mikrostruktureller Ebene sowohl für oberflächen- als auch volumenbehafte Aspekte.

Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle

Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.

Mineralised organic remains from cesspits at the Roman town of Silchester: Processes and preservation

Mineralised organic remains (including apple pips and cereal grains) collected during the ongoing excavations of Insula IX at the Roman town of Silchester, Hampshire have been analysed by a combination of SEM-EDX, powder XRD and IR spectroscopy. The experiments included mapping experiments using spatially resolved versions of each technique. IR and powder XRD mapping have been carried out utilising the synchrotron source at The Daresbury Laboratory oil stations 11.1 and 9.6. It is concluded that these samples are preserved by rapid mineralisation in the carbonate-substituted calcium phosphate mineral, dahllite. The rapid mineralisation leads to excellent preservation of the samples and a small crystal size. The value of IR spectroscopy in studying materials like this where the crystal size is small is demonstrated. A comparison is made between the excellent preservation seen in this context and the much poorer preservation of mineralised remains seen in Context 5276 or Cesspit 5251. Comments on the possible mechanism of mineralisation of these samples are made. (C) 2008 Elsevier B.V.. All rights reserved.

Results from the CERN pilot CLOUD experiment

During a 4-week run in October–November 2006, a pilot experiment was performed at the CERN Proton Synchrotron in preparation for the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) experiment, whose aim is to study the possible influence of cosmic rays on clouds. The purpose of the pilot experiment was firstly to carry out exploratory measurements of the effect of ionising particle radiation on aerosol formation from trace H2SO4 vapour and secondly to provide technical input for the CLOUD design. A total of 44 nucleation bursts were produced and recorded, with formation rates of particles above the 3 nm detection threshold of between 0.1 and 100 cm−3 s−1, and growth rates between 2 and 37 nm h−1. The corresponding H2SO4 concentrations were typically around 106 cm−3 or less. The experimentally-measured formation rates and H2SO4 concentrations are comparable to those found in the atmosphere, supporting the idea that sulphuric acid is involved in the nucleation of atmospheric aerosols. However, sulphuric acid alone is not able to explain the observed rapid growth rates, which suggests the presence of additional trace vapours in the aerosol chamber, whose identity is unknown. By analysing the charged fraction, a few of the aerosol bursts appear to have a contribution from ion-induced nucleation and ion-ion recombination to form neutral clusters. Some indications were also found for the accelerator beam timing and intensity to influence the aerosol particle formation rate at the highest experimental SO2 concentrations of 6 ppb, although none was found at lower concentrations. Overall, the exploratory measurements provide suggestive evidence for ion-induced nucleation or ion-ion recombination as sources of aerosol particles. However in order to quantify the conditions under which ion processes become significant, improvements are needed in controlling the experimental variables and in the reproducibility of the experiments. Finally, concerning technical aspects, the most important lessons for the CLOUD design include the stringent requirement of internal cleanliness of the aerosol chamber, as well as maintenance of extremely stable temperatures (variations below 0.1 _C).

Chemoselective catalytic hydrogenation of acrolein on Ag(111): effect of molecular orientation on reaction selectivity

The adsorption and hydrogenation of acrolein on the Ag(111) surface has been investigated by high resolution synchrotron XPS, NEXAFS, and temperature programmed reaction. The molecule adsorbs intact at all coverages and its adsorption geometry is critically important in determining chemoselectivity toward the formation of allyl alcohol, the desired but thermodynamically disfavored product. In the absence of hydrogen adatoms (H(a)), acrolein lies almost parallel to the metal surface; high coverages force the C=C bond to tilt markedly, likely rendering it less vulnerable toward reaction with hydrogen adatoms. Reaction with coadsorbed H(a) yields allyl alcohol, propionaldehyde, and propanol, consistent with the behavior of practical dispersed Ag catalysts operated at atmospheric pressure: formation of all three hydrogenation products is surface reaction rate limited. Overall chemoselectivity is strongly influenced by secondary reactions of allyl alcohol. At low H(a) coverages, the C=C bond in the newly formed allyl alcohol molecule is strongly tilted with respect to the surface, rendering it immune to attack by H(a) and leading to desorption of the unsaturated alcohol. In contrast with this, at high H(a) coverages, the C=C bond in allyl alcohol lies almost parallel to the surface, undergoes hydrogenation by H(a), and the saturated alcohol (propanol) desorbs.

Modifying the adsorption characteristics of water on Ru{0001} with preadsorbed oxygen

The coadsorption of water and preadsorbed oxygen on Ru{0001) was studied by synchrotron-based high-resolution x-ray photoelectron spectroscopy. A dramatic change was observed in the interaction of water with oxygen between low and high oxygen precoverages. Low oxygen coverages below 0.18 ML induce partial dissociation, which leads to an adsorbed layer of H2O and OH. Around half the oxygen atoms take part in this reaction. All OH recombines upon heating to 200 K and desorbs together with H2O. Oxygen coverages between 0.20 and 0.50 ML inhibit dissociation, instead a highly stable intact water species is observed, which desorbs at 220 K. This species is significantly more stable than intact water on the clean surface. The stabilization is most likely due to the formation of hydrogen bonds with neighboring oxygen atoms. For intermediate oxygen coverages around 0.18 ML, the dissociation behavior depends on the preparation conditions, which points toward possible mechanisms and pathways for partial dissociation of water on Ru{0001}.

Synergetic effects of the Cu/Pt{110} surface alloy: enhanced reactivity of water and carbon monoxide

We have used synchrotron-based high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy in combination with ab initio density functional theory calculations to investigate the characteristics of water and CO adsorption on the bimetallic Cu/Pt{110}-(2 x 1) surface at a Cu coverage near 0.5 ML. Cu fills the troughs of the reconstructed clean surface forming nanowires, which are stable up to 830 K. Their presence dramatically influences the adsorption of water and CO. Water adsorption changes from intact to partially dissociated while the desorption temperature of CO on this surface increases by up to 27 K with respect to the clean Pt{110} surface. Ab initio calculations and experimental valence band spectra reveal that the Cu 3d-band is narrowed and shifted upward with respect to bulk Cu surfaces. This and electron donation to surface Pt atoms cause the increase in the bond strength between CO and the Pt surface atoms. The pathway for water dissociation occurs via Cu surface atoms. The heat of adsorption of water bonding to Cu surface atoms was calculated to be 0.82 eV, which is significantly higher than on the clean Pt{110} surface; the activation energy for partial dissociation is 0.53 eV (not corrected for zero point energy).