Synthesis and Characterization of Nanostructured Electro-active Materials

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Nanostructured catalysts for the development of the hydrogen economy

La catalyse joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications industrielles telles que les industries pétrochimique et biochimique, ainsi que dans la production de polymères et pour la protection de l’environnement. La conception et la fabrication de catalyseurs efficaces et rentables est une étape importante pour résoudre un certain nombre de problèmes des nouvelles technologies de conversion chimique et de stockage de l’énergie. L’objectif de cette thèse est le développement de voies de synthèse efficaces et simples pour fabriquer des catalyseurs performants à base de métaux non nobles et d’examiner les aspects fondamentaux concernant la relation entre structure/composition et performance catalytique, notamment dans des processus liés à la production et au stockage de l’hydrogène. Dans un premier temps, une série d’oxydes métalliques mixtes (Cu/CeO2, CuFe/CeO2, CuCo/CeO2, CuFe2O4, NiFe2O4) nanostructurés et poreux ont été synthétisés grâce à une méthode améliorée de nanocasting. Les matériaux Cu/CeO2 obtenus, dont la composition et la structure poreuse peuvent être contrôlées, ont ensuite été testés pour l’oxydation préférentielle du CO dans un flux d’hydrogène dans le but d’obtenir un combustible hydrogène de haute pureté. Les catalyseurs synthétisés présentent une activité et une sélectivité élevées lors de l’oxydation sélective du CO en CO2. Concernant la question du stockage d’hydrogène, une voie de synthèse a été trouvée pour le composét mixte CuO-NiO, démontrant une excellente performance catalytique comparable aux catalyseurs à base de métaux nobles pour la production d’hydrogène à partir de l’ammoniaborane (aussi appelé borazane). L’activité catalytique du catalyseur étudié dans cette réaction est fortement influencée par la nature des précurseurs métalliques, la composition et la température de traitement thermique utilisées pour la préparation du catalyseur. Enfin, des catalyseurs de Cu-Ni supportés sur silice colloïdale ou sur des particules de carbone, ayant une composition et une taille variable, ont été synthétisés par un simple procédé d’imprégnation. Les catalyseurs supportés sur carbone sont stables et très actifs à la fois dans l’hydrolyse du borazane et la décomposition de l’hydrazine aqueuse pour la production d’hydrogène. Il a été démontré qu’un catalyseur optimal peut être obtenu par le contrôle de l’effet bi-métallique, l’interaction métal-support, et la taille des particules de métal.

Nanostructured lipid carriers as vehicles for the delivery of poorly water-soluble drugs

186 p.

Thermodynamic modeling and microcalorimetry of nanostructured materials for capacitive thermal management of electronics

Transient power dissipation profiles in handheld electronic devices alternate between high and low power states depending on usage. Capacitive thermal management based on phase change materials potentially offers a fan-less thermal management for such transient profiles. However, such capacitive management becomes feasible only if there is a significant enhancement in the enthalpy change per unit volume of the phase change material since existing bulk materials such as paraffin fall short of requirements. In this thesis I propose novel nanostructured thin-film materials that can potentially exhibit significantly enhanced volumetric enthalpy change. Using fundamental thermodynamics of phase transition, calculations regarding the enhancement resulting from superheating in such thin film systems is conducted. Furthermore design of a microfabricated calorimeter to measure such enhancements is explained in detail. This work advances the state-of-art of phase change materials for capacitive cooling of handheld devices.

Nonlinear Optics and Carrier Dynamics in Nanostructured and Two-Dimensional Materials

Understanding and measuring the interaction of light with sub-wavelength structures and atomically thin materials is of critical importance for the development of next generation photonic devices.  One approach to achieve the desired optical properties in a material is to manipulate its mesoscopic structure or its composition in order to affect the properties of the light-matter interaction.  There has been tremendous recent interest in so called two-dimensional materials, consisting of only a single to a few layers of atoms arranged in a planar sheet.  These materials have demonstrated great promise as a platform for studying unique phenomena arising from the low-dimensionality of the material and for developing new types of devices based on these effects.  A thorough investigation of the optical and electronic properties of these new materials is essential to realizing their potential.  In this work we present studies that explore the nonlinear optical properties and carrier dynamics in nanoporous silicon waveguides, two-dimensional graphite (graphene), and atomically thin black phosphorus. We first present an investigation of the nonlinear response of nanoporous silicon optical waveguides using a novel pump-probe method. A two-frequency heterodyne technique is developed in order to measure the pump-induced transient change in phase and intensity in a single measurement. The experimental data reveal a characteristic material response time and temporally resolved intensity and phase behavior matching a physical model dominated by free-carrier effects that are significantly stronger and faster than those observed in traditional silicon-based waveguides.  These results shed light on the large optical nonlinearity observed in nanoporous silicon and demonstrate a new measurement technique for heterodyne pump-probe spectroscopy. Next we explore the optical properties of low-doped graphene in the terahertz spectral regime, where both intraband and interband effects play a significant role. Probing the graphene at intermediate photon energies enables the investigation of the nonlinear optical properties in the graphene as its electron system is heated by the intense pump pulse. By simultaneously measuring the reflected and transmitted terahertz light, a precise determination of the pump-induced change in absorption can be made. We observe that as the intensity of the terahertz radiation is increased, the optical properties of the graphene change from interband, semiconductor-like absorption, to a more metallic behavior with increased intraband processes. This transition reveals itself in our measurements as an increase in the terahertz transmission through the graphene at low fluence, followed by a decrease in transmission and the onset of a large, photo-induced reflection as fluence is increased.  A hybrid optical-thermodynamic model successfully describes our observations and predicts this transition will persist across mid- and far-infrared frequencies.  This study further demonstrates the important role that reflection plays since the absorption saturation intensity (an important figure of merit for graphene-based saturable absorbers) can be underestimated if only the transmitted light is considered. These findings are expected to contribute to the development of new optoelectronic devices designed to operate in the mid- and far-infrared frequency range.  Lastly we discuss recent work with black phosphorus, a two-dimensional material that has recently attracted interest due to its high mobility and direct, configurable band gap (300 meV to 2eV), depending on the number of atomic layers comprising the sample. In this work we examine the pump-induced change in optical transmission of mechanically exfoliated black phosphorus flakes using a two-color optical pump-probe measurement. The time-resolved data reveal a fast pump-induced transparency accompanied by a slower absorption that we attribute to Pauli blocking and free-carrier absorption, respectively. Polarization studies show that these effects are also highly anisotropic - underscoring the importance of crystal orientation in the design of optical devices based on this material. We conclude our discussion of black phosphorus with a study that employs this material as the active element in a photoconductive detector capable of gigahertz class detection at room temperature for mid-infrared frequencies.

Solar Energy Conversion by Nanostructured TiO2

Research in solar energy conversion and the associated photoactive materials has attracted continuous interest. Due to its proper electronic band structure, high quantum efficiency, and photonic and chemical innerness, TiO2 has been demonstrated as a versatile oxide semiconductor capable of efficiently utilizing sunlight to produce electrical and chemical energy. Its outstanding physicochemical performances have led to an array of advanced photocatalytic and photoelectrochemical applications including environmental photocatalysis, dye/semiconductor-sensitized solar cell, and solar fuel productions.

Development of nanostructured hydrogel for spatial and temporal controlled release of active compounds

L’utilisation de nanovecteurs pour la livraison contrôlée de principes actifs est un concept commun de nous jours. Les systèmes de livraison actuels présentent encore cependant des limites au niveau du taux de relargage des principes actifs ainsi que de la stabilité des transporteurs. Les systèmes composés à la fois de nanovecteurs (liposomes, microgels et nanogels) et d’hydrogels peuvent cependant permettre de résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons développé un système de livraison contrôlé se basant sur l’incorporation d’un nanovecteur dans une matrice hydrogel dans le but de combler les lacunes des systèmes se basant sur un vecteur uniquement. Une telle combinaison pourrait permettre un contrôle accru du relargage par stabilisation réciproque. Plus spécifiquement, nous avons développé un hydrogel structuré intégrant des liposomes, microgels et nanogels séparément chargés en principes actifs modèles potentiellement relargués de manière contrôlé. Ce contrôle a été obtenu par la modification de différents paramètres tels que la température ainsi que la composition et la concentration en nanovecteurs. Nous avons comparé la capacité de chargement et la cinétique de relargage de la sulforhodamine B et de la rhodamine 6G en utilisant des liposomes de DOPC et DPPC à différents ratios, des nanogels de chitosan/acide hyaluronique et des microgels de N-isopropylacrylamide (NIPAM) à différents ratios d’acide méthacrylique, incorporés dans un hydrogel modèle d’acrylamide. Les liposomes présentaient des capacités de chargement modérés avec un relargage prolongé sur plus de dix jours alors que les nanogels présentaient des capacités de chargement plus élevées mais une cinétique de relargage plus rapide avec un épuisement de la cargaison en deux jours. Comparativement, les microgels relarguaient complétement leur contenu en un jour. Malgré une cinétique de relargage plus rapide, les microgels ont démontré la possibilité de contrôler finement le chargement en principe actif. Ce contrôle peut être atteint par la modification des propriétés structurelles ou en changeant le milieu d’incubation, comme l’a montré la corrélation avec les isothermes de Langmuir. Chaque système développé a démontré un potentiel contrôle du taux de relargage, ce qui en fait des candidats pour des investigations futures.

Design, physico-chemical characterization and bioactivity studies of hybrid nanostructured titanium surfaces for enhanced osseointegration

170 p.

Fabrication and characterization of a nanostructured TiO2/In2S3-Sb2S3/CuSCN extremely thin absorber (eta) solar cell

CuSCN extremely thin absorber solar cell. Nanostructured TiO2 deposited by screen printing on an ITO substrate was used as an n-type electrode. An ∼80 nm extremely thin layer of the system In2S3-Sb2S3 deposited by successive ionic layer adsorption and a reaction (silar) method was used as an absorber. The voids were filled with p-type CuSCN and the entire assembly was completed with a gold contact. The solar cell fabricated with this heterostructure showed an energy conversion efficiency of 4.9%, which is a promising result in the development of low cost and simple fabrication of solar cells.