Solution processed quantum dot photodetectors

To find sustainable solutions for the production of energy, it is necessary to create photovoltaic technologies that make every photon count. To pursue this necessity, in the present work photodetectors of zinc oxide embedded with nano-structured materials, that significantly raise the conversion of solar energy to electric energy, were developed. The novelty of this work is on the development of processing methodologies in which all steps are in solution: quantum dots synthesis, passivation of their surface and sol-gel deposition. The quantum dot solutions with different capping agents were characterized by UVvisible absorption spectroscopy, spectrofluorimetry, dynamic light scattering and transmission electron microscopy. The obtained quantum dots have dimensions between 2 and 3nm. These particles were suspended in zinc acetate solutions and used to produce doped zinc oxide films with embedded quantum dots, whose electric response was tested. The produced nano-structured zinc oxide materials have a superior performance than the bulk, in terms of the produced photo-current. This indicates that an intermediate band material should have been produced that acts as a photovoltaic medium for solar cells. The results are currently being compiled in a scientific article, that is being prepared for possible submission to Energy and Environmental Science or Nanoscale journals.

Field-effect transistors based on Zinc oxide nanoparticles

This work reports the development of field-effect transistors (FETs), whose channel is based on zinc oxide (ZnO) nanoparticles (NPs). Using screen-printing as the primary deposition technique, different inks were developed, where the semiconducting ink is based on a ZnO NPs dispersion in ethyl cellulose (EC). These inks were used to print electrolyte-gated transistors (EGTs) in a staggered-top gate structure on glass substrates, using a lithium-based polymeric electrolyte. In another approach, FETs with a staggered-bottom gate structure on paper were developed using a sol-gel method to functionalize the paper’s surface with ZnO NPs, using zinc acetate dihydrate (ZnC4H6O4·2H2O) and sodium hydroxide (NaOH) as precursors. In this case, the paper itself was used as dielectric. The various layers of the two devices were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric and differential scanning calorimetric analyses (TG-DSC). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used in order to evaluate the electric double-layer (EDL) formation, in the case of the EGTs. The ZnO NPs EGTs present electrical modulation for annealing temperatures equal or superior to 300 ºC and in terms of electrical properties they showed On/Off ratios in the order of 103, saturation mobilities (μSat) of 1.49x10-1 cm2(Vs)-1 and transconductance (gm) of 10-5 S. On the other hand, the ZnO NPs FETs on paper exhibited On/Off ratios in the order of 102, μSat of 4.83x10- 3 cm2(Vs)-1and gm around 10-8 S.

Risk assessment in a research laboratory during sol–gel synthesis of nano-TiO2

The occupational risks in the nanotechnology research laboratories are an important topic since a great number of researchers are involved in this area. The risk assessment performed by both qualitative and quantitative methods is a necessary step for the management of the occupational risks. Risk assessment could be performed by qualitative methods that gather consensus in the scientific community. It is also possible to use quantitative methods, based in different technics and metrics, as indicative exposure limits are been settled by several institutions. While performing the risk assessment, the information on the materials used is very important and, if it is not updated, it could create a bias in the assessment results. The exposure to TiO2 nanoparticles risk was assessed in a research laboratory using a quantitative exposure method and qualitative risk assessment methods. It was found the results from direct-reading Condensation Particle Counter (CPC) equipment and the CB Nanotool seem to be related and aligned, while the results obtained from the use of the Stoffenmanager Nano seem to indicate a higher risk level.

Hot-dip galvanized steel dip-coatedwith ureasilicate hybrid in simulated concrete pore solution: Assessment of coating morphology and corrosion protection efficiency

The barrier effect and the performance of an organic–inorganic hybrid (OIH) sol–gel coating are highlydependent on the coating deposition method as well as processing conditions. In this work, studies onthe influence of experimental parameters using the dip coating method were performed. Factors suchas residence time (Rt), a curing step between each dip step and the number of layers of sol–gel OIHfilms deposited on HDGS to prevent corrosion in highly alkaline environments were studied. These OIHcoatings were obtained using a functionalized siloxane, 3-isociantepropyltriethoxysilane that reactedwith a diamino-functionalized oligopolymer (Jeffamine®D-230). The barrier efficiency of OIH coatings insimulated concrete pore solutions (SCPS) was assessed in the first moments of contact, by electrochemicalimpedance spectroscopy and potentiodynamic methods. The durability and stability of the OIH coatings inSCPS was monitored during eight days by macrocell current density. The morphological characterizationof the surface was performed by scanning electronic microscopy before and after exposure to SCPS.Glow discharge optical emission spectroscopy was used to obtain quantitative composition profiles toinvestigate the thickness of the OIH coatings as a function of the number of layers deposited and theinfluence of the Rt in the coating thickness.

Electrochromic devices incorporating biohybrid electrolytes doped with a lithium salt, an ionic liquid or a mixture of both

The sol-gel method was employed in the synthesis of di-urethane cross-linked poly( caprolactone) (PCL(530)/siloxane biohybrid ormolytes incorporating either a mixture of lithium triflate (LiCF3SO3) and the ionic liquid (IL) 1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate ([Emim]BF4), or solely with [Emim]BF4 or LiCF3SO3. The ormolyte doped with [Emim]BF4 is thermally more stable and exhibits higher ionic conductivity (4 x 10-4 and 2 x 10-3 S cm-1 at 36 and 98 ºC, respectively) than those containing the LiCF3SO3/[Emim]BF4 mixture or just LiCF3SO3. The three ormolytes were employed in the production of glass/ITO/ormolyte/WO3/ITO/glass electrochromic devices (ECDs) designated as ECD@Y with Y = Li-[Emim]BF4, [Emim]BF4 and Li. The three ECDs displayed fast switching speed (ca. 30 s). ECD@Li-[Emim]BF4 exhibited an electrochromic contrast of 18.4 % and an optical density change of 0.11 in the visible region, the coloration efficiency attained at 555 nm was 159 and 80.2 cm-2 C-1 in the “on” and “off” states, respectively, and the open circuit memory was 48 hours. In the “on” state the CIE 1931 color space coordinates were x = 0.29 and y = 0.30, corresponding to blue color.

Controlled aggregation of gold nanoparticles in a di-ureasilmatrix. Optical and micro indentation investigation

Nanocomposite materials with an organic-inorganic urea-silicate (di-ureasil) based matrix containing gold nanoparticles (NPs) were synthesized and characterized by optical (UV/Vis) spectroscopy and indentation measurement. The urea silicate gels were obtained by reaction between silicon alkoxyde modified by isocyanate group and polyethylene glycol oligomer with amine terminal groups in presence of catalyst. The latter ensures the successful incorporation of citrate-stabilized gold NPs in the matrix. It is shown that using a convenient destabilizing agent (AgNO3) and governing the preparative conditions, the aggregation degree of gold NPs can be controlled. The developed synthesis procedure significantly simplifies the preparative procedure of gold/urea silicate nanocomposites, compared to the procedure using gold NPs, preliminary covered with silica shells. Mechanical properties of the prepared sample were characterised using depth sensing indentation methods (DSI) and an idea about the type of aggregation structures was suggested.

Ionic, paramagnetic and photophysical properties of a new biohybrid material incorporating copper perchlorate

The sol-gel method was employed in the synthesis of di-urethane cross-linked poly(-caprolactone) (d-PCL(530)/siloxane biohybrid ormolytes incorporating copper perchlorate, (Cu(ClO4)2). The highest ionic conductivity of the d PCL(530)/siloxanenCu(ClO4)2 system is that with n = 10 (1.4 x 10-7 and 1.4 x 10-5 S cm-1, at 25 and 100 ºC, respectively). In an attempt to understand the ionic conductivity/ionic association relationship, we decide to inspect the chemical environment experienced by the Cu2+ ions in the d-PCL(530)/siloxane medium. The observed EPR spectra are typical of isolated monomeric Cu2+ ions in axially distorted sites. The molecular orbital coefficients obtained from the EPR spin Hamiltonian parameters and the optical absorption band suggests that bonding between the Cu2+ and its ligand in the ormolytes are moderately ionic. Investigation by photoluminescence spectroscopy did not evidence or allow selective excitation of transitions corresponding to complexed Cu2+ species.

Ureasilicate hybrid coatings for corrosion protection of galvanized steel in chloride-contaminated simulated concrete pore solution

Organic-inorganic hybrid (OIH) sol-gel coatings based on ureasilicates (U(X)) have promising properties for use as eco-friendly coatings on hot dip galvanized steel (HDGS) and may be considered potential substitutes for pre-treatment systems containing Cr(VI). These OIH coatings reduce corrosion activity during the initial stages of contact of the HDGS samples with highly alkaline environments (cementitious media) and allow the mitigation of harmful effects of an initial excessive reaction between cement pastes and the zinc layer. However, the behavior of HDGS coated with U(X) in the presence of chloride ions has never been reported. In this paper, the performance of HDGS coated with five different U(X) coatings was assessed by electrochemical measurements in chloride-contaminated simulated concrete pore solution (SCPS). U(X) sol-gel coatings were produced and deposited on HDGS by a dip coating method. The coatings performance was evaluated by electrochemical impedance spectroscopy, potentiodynamic polarization curves measurements, macrocell current density and polarization resistance in contact with chloride-contaminated SCPS. The SEM/EDS analyses of the coatings before and after the tests were also performed. The results showed that the HDGS samples coated with the OIH coatings exhibited enhanced corrosion resistance to chloride ions when compared to uncoated galvanized steel.

Desenvolvimento de microcápsulas ativadas por radiação solar para aplicação em painéis cerâmicos exteriores

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Remoção fotocatalítica de micropoluentes em meios porosos funcionalizados

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Diseño y desarrollo de superficies modificadas. Aplicaciones ambientales, biomédicas y farmacéuticas. Design and development of modified surfaces. Environmental, biomedical and pharmaceutical applications.

El objetivo general de este proyecto de investigación es diseñar, desarrollar y optimizar superficies con propiedades especificas para ser utilizadas como sensores y biosensores, materiales biocompatibles, columnas para separaciones por electroforesis capilar, matrices para la liberación controlada de fármacos y sorbentes para remediación ambiental. Para concretar este objetivo, se propone específicamente modificar superficies o particulas apuntando a optimizar un sistema concreto relevante en aplicaciones farmaceuticas, ambientales o biomedicas: 1. Modificacion de arcillas naturales o sinteticas para desarrollar matrices portadoras de farmacos o sorbentes para remediacion ambiental:1.1 Estudiar ilitas modificadas con Fe(III) para maximizar las propiedades adsortivas frente a aniones contaminantes como arsenico. 1.2 Sintetizar LDH de Al y Mg modificados con compuestos de interés farmacéutico para diseñar sistemas de liberación controlada.2. Modificación de canales de chips y electrodos para optimizar la separación, detección y cuantificación de compuestos farmacéutico: 2.1 Diseñar y construir microchips para la separación por EC de compuestos de base fenólica.2.2 Evaluar polímeros que mejoren la respuesta y/o estabilidad de electrodos de Carbono para ser usados como detectores amperométrico de compuestos de base fenólica en sistemas FIA y miniaturizados de análisis integrados.3. Modificación de superficies sólidas con biomoléculas para el desarrollo y optimización de superficies de bio-reconocimiento:3.1 Evaluar el comportamiento de superficies de titanio modificadas con TiO2 y depósitos inorgánicos frente a la interacción con proteínas plasmáticas (PP) para el análisis de la biocompatibilidad superficial.3.2 Diseñar y desarrollar superficies biofuncionales para el reconocimiento especifico de D-aminoácidos, anticuerpos en pacientes chagásicos y simple hebra de ADN. Las técnicas que se emplearán para llevar a cabo el proyecto dependen del tipo de sistema de estudio. En particular los estudios correspondientes al objetivo 1 se realizarán mediante análisis químicos, térmico, DXR, SEM, IR, BET así como mediante titulaciones ácido-base potenciométricas, movilidades electroforéticas, cinética e isotermas de adsorción.En general para desarrollar el objetivo 2 se utilizarán técnicas electroquímicas clásicas para la caracterización de los electrodos, los que luego se utilizarán como detectores en un sistema FIA amperométrico, mientras que los microchips se emplearán en electroforesis capilar para la separación de diferentes compuestos de interés farmacéutico.Finalmente, el objetivo 3 se llevará a cabo por un lado modificando electrodos de titanio con distintos depósitos (electroquímicas, sol-gel, térmicas) de TiO2 e hidroxiapatita y evaluando la interacción con proteínas plasmáticas para analizar la biocompatibilidad de los materiales preparados. Por otro lado, se estudiará el proceso de adsorción-desorción de D-aminoácido oxidasa, antígenos del T. Cruzi y ADN de simple hebra para optmizar la capacidad de bio-reconocimiento superficial de D-aminoácidos, anticuerpos de chagásicos y de cadena complementaria de ADN. Para concretar este objetivo se utilizarán técnicas electroquímicas, espectroscópicas y microscopias.Debido al carácter multidisciplinario del presente proyecto de investigación, su ejecución se llevara a cabo a través de la colaboración de investigadores pertenecientes a distintas áreas de la Química y permitirá continuar con la formación de recursos humanos mediante la realización de tesis doctorales y estadías postdoctorales.

Síntesis, caracterización y aplicaciones específicas de metalosilicatos cristalinos micro y mesoporosos con incorporación de nanoestructuras. Synthesis, characterization and specific aplications of crystalline micro and mesoporous metallosilicates with nanostructures.

La síntesis de materiales cristalinos micro y mesoporosos con incorporación de micro/nano partículas/clusters de especies formadas con entidades propias interaccionando con las redes, como óxidos de metales, cationes de neutralización, especies metálicas, etc., pueden potencialmente ser utilizados como "materiales hospedaje" en óptica, electrónica, sensores, como materiales magnéticos, en estrategias ambientales de control de la contaminación, catálisis en general y procesos de separación. Se sintetizaran y caracterizaran por diversas técnicas fisicoquímicas, zeolitas microporosas de poro medio (ZSM) y poro grande (Y), y materiales mesoporosos (MCM-41). La aplicación de los mismos se orientara, por una parte, a procesos catalíticos tecnológicamente innovadores relacionados con los siguientes campos: a)catálisis ambiental: transformación de desechos plásticos (polietileno, polipropileno, poliestireno o mezclas de los mismos) a hidrocarburos de mayor valor agregado (gasolinas, gasoil, gases licuados de petróleo, hidrocarburos aromáticos); b)química fina: oxidación parcial de hidrocarburos aromáticos hacia la obtención de commodities, fármacos, etc. Por otra parte, se evaluaran las propiedades magnéticas (ferromagnetismo, paramagnetismo, superparamagnetismo, diamagnetismo) que algunos de estos materiales presentan, en busca de su correlación con sus propiedades catalíticas, cuando sea factible. Se estudiaran las condiciones óptimas de síntesis de los materiales, aplicando técnicas hidrotermicas o sol gel, controlando variables como temperaturas y tiempos de síntesis, pH de geles iniciales-intermedios-finales, tipo de fuentes precursoras, etc. La modificación de las matrices con Co, Cr, Mn, H, o Zn, se realizara mediante diversos tratamientos químicos (intercambio, impregnación) a partir de las sales correspondientes, con el objeto de incorporar elementos activos al estado iónico, metálico, clusters, etc.; y la influencia de distintos tratamientos térmicos (oxidantes, inertes o reductores; atmósferas dinámicas o estáticas; temperaturas). La caracterización estructural de los materiales será por: AA (cuantificación elemental de bulk); XRD (determinacion de presencia de especies oxidos o metalicas de Zn, Co, Cr, o Mn; determinacion de cristalinidad y estructura); BET (determinacion de area superficial); DSC-TG-DTA (determinacion de estabilidad de las matrices sintetizadas); FTIR de piridina (determinacion de tipo-fuerza-cantidad de sitios activos); Raman y UV-reflectancia difusa (determinacion de especies ionicas interacturando o depositadas sobre las matrices); TPR (identificacion de especies reducibles); SEM-EDAX (determinacion de tamaño de particulas de especies activas y de las matrices y cuanfiticacion superficial); Magnetómetros SQUID y de muestra vibrante (medición de magnetización y susceptibilidad magnética a temperatura ambiente con variación de campo externo aplicado, y variación de temperaturas (4 a 300 K) con campo externo fijo). En síntesis, se plantean tres grandes áreas de trabajo: No1)Síntesis y caracterización de materiales micro y mesoporosos nanoestructurados; No2) Evaluación de las propiedades catalíticas; No3) Evaluación de las propiedades magnéticas. Estos lineamientos nos permitirán generar nuevos conocimientos científicos-tecnológicos, formando recursos humanos (dos becarios posdoctorales; un becario doctoral; tres becarios alumnos de investigación; aproximadamente 15 pasantes de grado al año) aptos para emprender tales desafíos. Los conocimientos originados son constantemente trabajados en las actividades docentes de grado y posgrado que los integrantes del proyecto poseen. Finalmente serán transmitidos y puestos a consideración de pares evaluadores en presentaciones a congresos nacionales e internacionales y revistas especializadas.

Síntesis y Caracterización de Materiales Nanoestructurados para el Almacenamiento de Hidrógeno. Hidrogen storage: Synthesis and characterization of nanostructured materials.

El hidrógeno tiene, actualmente, una atención considerable por su posible uso como combustible limpio y otros usos industriales y se ha demostrado que es posible hacer funcionar motores de combustión interna, por lo tanto es una alternativa viable respecto de fuentes de energía no renovables como el petróleo y tal vez sea en el futuro la tecnología más prometedora para reducir la contaminación, conservando el suministro de combustibles fósiles. Uno de los principales problemas para la utilización del hidrógeno como combustible es el del almacenamiento para que pueda ser seguro y transportable con todos los riesgos que esto supone. En este sentido el estudio de la adsorción de polímeros conductores (tal como polianilina, PANI o polipirrol PPy) y su posterior polimerización sobre hospedajes como aluminosilicatos meso y microporosos y carbones mesoporosos, es de suma importancia por sus propiedades para el almacenamiento de H2. El objetivo general de este proyecto es Investigar el almacenamiento de hidrógeno en nuevos composites nano/microestructurados. La síntesis de materiales micro/mesoporosos (MFI, MEL, BEA, L, MS41, SBA-15, SBA-1, SBA-3, SBA-16, CMK-3) para usos como hospedaje se realizan por sol-gel o síntesis hidrotérmica y se modificarán con TiO2, CeO2, ZrO2 y eventualmente con Ir, Ni, Zr. Muestras de estos hospedajes serán expuestos a vapores del monómero puro (anilina o pirrol). Luego se polimerizarán por polimerización oxidativa. Los nanocomposites sintetizados se caracterizarán por XRD, FTIR, DSC, TGA, SEM, TEM, EXFAS, XANES, UV-Vis. La adsorción de hidrógeno sobre los composites se llevará a cabo en un Reactor Parr, desde presiones atmosféricas y a altas presiones y varias temperaturas de adsorción . Los estudios de desorción de hidrogeno se llevarán a cabo en un equipo Chemisorb Micrometrics y se realizarán estudios termogravimétricos y de capacidad de retención de Hidrogeno por el nanocomposite. La importancia del estudio de este proceso tiene importantes implicancias económicas y sociales que serán preponderantes en el futuro debido a las cada vez más exigentes regulaciones ambientales. Además se contribuirá al avance del conocimiento científico, ya que es posible diseñar nuevos materiales, los que además permitirán generar reservorios de H2 con alta eficiencia. Por lo consiguiente: - Se desarrollarán nuevos materiales nanoestructurados, micro y mesoporosos y nanoclusters de especies activas en los hospedajes como así también la inclusión de polímeros (PANI, PPy) dentro de los canales de estos materiales. - Se caracterizarán estos materiales por métodos espectroscópicos (fisicoquímica de superficie). - Se estudiará la adsorción /absorcion de H2 en los nuevos materiales desarrollados. -Se aplicarán métodos de diseño de experimento (RDS), para optimizar el proceso de almacenamiento de H2, nivel de interacción de variables sinérgicas o colinérgicas.

Preparació de materials híbrids orgànico-inorgànics a partir de sals d'imidazoli

Estudi elaborat a partir d’una estada a l’ Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier, França, durant 2006. S’han sintetitzat materials híbrids orgànico-inorgànics mitjançant el procés sol-gel i altres estratègies sintètiques. En alguns casos, s’ha intentat estructurar aquests materials, ja sigui per autoestructuració o per mitjà de tensioactius. Com a catalitzadors de les reaccions d'hidròlisi i policondensació s’han utilitzat àcids, bases i fluorurs. Els materials obtinguts s’han caracteritzat mitjançant diferents tècniques: BET (Brunauer-Emmett-Teller), TEM (microscopia electrònica de transmissió), SEM (microscòpia electrònica de rastreig), raigs X en pols , IR i RMN (ressonància magnètica nuclear) en estat sòlid. Amb aquests materials es pretén preparar catalitzadors heterogenis de Pd per reaccions d’acoblament creuat, i de Ru per reaccions de metàtesi. També s’han sintetitzat sals d'imidazoli amb cadenes hidrocarbonades llargues amb l'objectiu de preparar gels de sílice amb aquestes molècules atrapades dins la matriu inorgànica. Aquests materials s’utilitzaran com a organocatalitzadors i també es prepararan els corresponents catalitzadors de Pd per reaccions de Heck, Suzuki i Sonogashira. Les sals d’imidazoli s’han utilitzat com a tensioactius en la preparació de gels de sílice estructurats. Aquestes molècules han resultat ser cristalls líquids i s’han caracteritzar mitjançant DSC (differential scanning calorimetry), microscopia òptica i raigs X.

The ue of polysiloxane/polyvinyl alcohol beads as solid phase in IgG anti-Toxocara canis detection using a recombinant antigen

Immunodetection of human IgG anti-Toxocara canis was developed based on ELISA and on the use of polysiloxane/polyvinyl alcohol (POS/PVA) beads. A recombinant antigen was covalently immobilized, via glutaraldehyde, onto this hybrid inorganic-organic composite, which was prepared by the sol-gel technique. Using only 31.2 ng antigen per bead, a peroxidase conjugate dilution of 1:10,000 and a serum dilution of 1:200 were adequate for the establishment of the procedure. This procedure is comparable to that which utilizes the adsorption of the antigen to conventional PVC plates. However, the difference between positive and negative sera mean absorbances was larger for this new glass based assay. In addition to the performance of the POS/PVA bead as a matrix for immunodetection, its easy synthesis and low cost are additional advantages for commercial application.