Highly Electrocatalytic Activity of RuO2 Nanocrystals for Triiodide Reduction in Dye-Sensitized Solar Cells

Dye-sensitized solar cells (DSCs) are promising alternatives to conventional silicon devices because of their simple fabrication procedure, low cost, and high efficiency. Platinum is generally used as a superior counter electrode (CE) material, but the disadvantages such as high cost and low abundance greatly restrict the large-scale application of DSCs. An efficient and sustainable way to overcome the limited supply of Pt is the development of high-efficiency Pt-free CE materials, which should possess both high electrical conductivity and superior electrocatalytic activity simultaneously. Herein, for the first time, a two-step strategy to synthesize ruthenium dioxide (RuO2) nanocrystals is reported, and it is shown that RuO2 catalysts exhibit promising electrocatalytic activity towards triiodide reduction, which results in comparable energy conversion efficiency to that of conventional Pt CEs. More importantly, by virtue of first-principles calculations, the catalytic mechanism of electrocatalysis for triiodide reduction on various CEs is investigated systematically and it is found that the electrochemical triiodide reduction reaction on RuO2 catalyst surfaces can be enhanced significantly, owing to the ideal combination of good electrocatalytic activity and high electrical conductivity.

Turning Indium Oxide into a Superior Electrocatalyst:Deterministic Heteroatoms

The efficient electrocatalysts for many heterogeneous catalytic processes in energy conversion and storage systems must possess necessary surface active sites. Here we identify, from X-ray photoelectron spectroscopy and density functional theory calculations, that controlling charge density redistribution via the atomic-scale incorporation of heteroatoms is paramount to import surface active sites. We engineer the deterministic nitrogen atoms inserting the bulk material to preferentially expose active sites to turn the inactive material into a sufficient electrocatalyst. The excellent electrocatalytic activity of N-In2O3 nanocrystals leads to higher performance of dye-sensitized solar cells (DSCs) than the DSCs fabricated with Pt. The successful strategy provides the rational design of transforming abundant materials into high-efficient electrocatalysts. More importantly, the exciting discovery of turning the commonly used transparent conductive oxide (TCO) in DSCs into counter electrode material means that except for decreasing the cost, the device structure and processing techniques of DSCs can be simplified in future.

Unidirectional suppression of hydrogen oxidation on oxidized platinum clusters

Solar-driven water splitting to produce hydrogen may be an ideal solution for global energy and environment issues. Among the various photocatalytic systems, platinum has been widely used to co-catalyse the reduction of protons in water for hydrogen evolution. However, the undesirable hydrogen oxidation reaction can also be readily catalysed by metallic platinum, which limits the solar energy conversion efficiency in artificial photosynthesis. Here we report that the unidirectional suppression of hydrogen oxidation in photocatalytic water splitting can be fulfilled by controlling the valence state of platinum; this platinum-based cocatalyst in a higher oxidation state can act as an efficient hydrogen evolution site while suppressing the undesirable hydrogen back-oxidation. The findings in this work may pave the way for developing other high-efficientcy platinum-based catalysts for photocatalysis, photoelectrochemistry, fuel cells and water-gas shift reactions.

Facet-Dependent Catalytic Activity of Platinum Nanocrystals for Triiodide Reduction in Dye-Sensitized Solar Cells

Platinum (Pt) nanocrystals have demonstrated to be an effective catalyst in many heterogeneous catalytic processes. However, pioneer facets with highest activity have been reported differently for various reaction systems. Although Pt has been the most important counter electrode material for dye-sensitized solar cells (DSCs), suitable atomic arrangement on the exposed crystal facet of Pt for triiodide reduction is still inexplicable. Using density functional theory, we have investigated the catalytic reaction processes of triiodide reduction over {100}, {111} and {411} facets, indicating that the activity follows the order of Pt(111) > Pt(411) > Pt(100). Further, Pt nanocrystals mainly bounded by {100}, {111} and {411} facets were synthesized and used as counter electrode materials for DSCs. The highest photovoltaic conversion efficiency of Pt(111) in DSCs confirms the predictions of the theoretical study. These findings have deepened the understanding of the mechanism of triiodide reduction at Pt surfaces and further screened the best facet for DSCs successfully.

Active sites on hydrogen evolution photocatalyst

Solar hydrogen production assisted with semiconductor materials is a promising way to provide alternative energy sources in the future. Such a photocatalytic reaction normally takes place on the active sites of the catalysts surface, and the identification of the active sites is crucial for understanding the photocatalytic reaction mechanism and further improving the photocatalytic efficiency. However, the active sites of model catalysts are still largely disputed because of their structural complexity. Conventionally, H-2 evolution from solar water splitting over Pt/TiO2 is widely deemed to take place on metallic Pt nanoparticles. Oppositely, we report through a combined experimental and theoretical approach, that metallic Pt nanoparticles have little contribution to the activity of photocatalytic H-2 evolution; the oxidized Pt species embedded on the TiO2 surface are the key active sites and primarily responsible for the activity of the hydrogen evolution Pt/TiO2 photocatalyst.

Local atomic structure modulations activate metal oxide as electrocatalyst for hydrogen evolution in acidic water

Modifications of local structure at atomic level could precisely and effectively tune the capacity of materials, enabling enhancement in the catalytic activity. Here we modulate the local atomic structure of a classical but inert transition metal oxide, tungsten trioxide, to be an efficient electrocatalyst for hydrogen evolution in acidic water, which has shown promise as an alternative to platinum. Structural analyses and theoretical calculations together indicate that the origin of the enhanced activity could be attributed to the tailored electronic structure by means of the local atomic structure modulations. We anticipate that suitable structure modulations might be applied on other transition metal oxides to meet the optimal thermodynamic and kinetic requirements, which may pave the way to unlock the potential of other promising candidates as cost-effective electrocatalysts for hydrogen evolution in industry.

Orange Zinc Germanate with Metallic Ge-Ge Bonds as a Chromophore-Like Center for Visible-Light-Driven Water Splitting

The efficiency of solar-energy-conversion devices depends on the absorption region and intensity of the photon collectors. Organic chromophores, which have been widely stabilized on inorganic semiconductors for light trapping, are limited by the interface between the chromophore and semiconductor. Herein we report a novel orange zinc germanate (Zn-Ge-O) with a chromophore-like structure, by which the absorption region can be dramatically expanded. Structural characterizations and theoretical calculations together reveal that the origin of visible-light response can be attributed to the unusual metallic Ge-Ge bonds which act in a similar way to organic chromophores. Benefiting from the enhanced light harvest, the orange Zn-Ge-O demonstrates superior capacity for solar-driven hydrogen production.

Quantitative structure-hydrophobicity relationships of molecular fragments and beyond

Quantitative structure-property relationship (QSPR) models were firstly established for the hydrophobic substituent constant (πX) using the theoretical descriptors derived solely from electrostatic potentials (EPSs) at the substituent atoms. The descriptors introduced are found to be related to hydrogen-bond basicity, hydrogen-bond acidity, cavity, or dipolarity/polarizability terms in linear solvation energy relationship, which endows the models good interpretability. The predictive capabilities of the models constructed were also verified by rigorous Monte Carlo cross-validation. Then, eight groups of meta- or para- disubstituted benzenes and one group of substituted pyridines were investigated. QSPR models for individual systems were achieved with the ESP-derived descriptors. Additionally, two QSPR models were also established for Rekker's fragment constants (foct), which is a secondary-treatment quantity and reflects average contribution of the fragment to logP. It has been demonstrated that the descriptors derived from ESPs at the fragments, can be well used to quantitatively express the relationship between fragment structures and their hydrophobic properties, regardless of the attached parent structure or the valence state. Finally, the relations of Hammett σ constant and ESP quantities were explored. It implies that σ and π, which are essential in classic QSAR and represent different type of contributions to biological activities, are also complementary in interaction site.

Interactions between pyrazole derived enantiomers and Chiralcel OJ: Prediction of enantiomer absolute configurations and elution order by molecular dynamics simulations

The separation of enantiomers and confirmation of their absolute configurations is significant in the development of chiral drugs. The interactions between the enantiomers of chiral pyrazole derivative and polysaccharide-based chiral stationary phase cellulose tris(4-methylbenzoate) (Chiralcel OJ) in seven solvents and under different temperature were studied using molecular dynamics simulations. The results show that solvent effect has remarkable influence on the interactions. Structure analysis discloses that the different interactions between two isomers and chiral stationary phase are dependent on the nature of solvents, which may invert the elution order. The computational method in the present study can be used to predict the elution order and the absolute configurations of enantiomers in HPLC separations and therefore would be valuable in development of chiral drugs.

QUADrATiC: scalable gene expression connectivity mapping for repurposing FDA-approved therapeutics

Background: Gene expression connectivity mapping has proven to be a powerful and flexible tool for research. Its application has been shown in a broad range of research topics, most commonly as a means of identifying potential small molecule compounds, which may be further investigated as candidates for repurposing to treat diseases. The public release of voluminous data from the Library of Integrated Cellular Signatures (LINCS) programme further enhanced the utilities and potentials of gene expression connectivity mapping in biomedicine. Results: We describe QUADrATiC (http://go.qub.ac.uk/QUADrATiC), a user-friendly tool for the exploration of gene expression connectivity on the subset of the LINCS data set corresponding to FDA-approved small molecule compounds. It enables the identification of compounds for repurposing therapeutic potentials. The software is designed to cope with the increased volume of data over existing tools, by taking advantage of multicore computing architectures to provide a scalable solution, which may be installed and operated on a range of computers, from laptops to servers. This scalability is provided by the use of the modern concurrent programming paradigm provided by the Akka framework. The QUADrATiC Graphical User Interface (GUI) has been developed using advanced Javascript frameworks, providing novel visualization capabilities for further analysis of connections. There is also a web services interface, allowing integration with other programs or scripts.Conclusions: QUADrATiC has been shown to provide an improvement over existing connectivity map software, in terms of scope (based on the LINCS data set), applicability (using FDA-approved compounds), usability and speed. It offers potential to biological researchers to analyze transcriptional data and generate potential therapeutics for focussed study in the lab. QUADrATiC represents a step change in the process of investigating gene expression connectivity and provides more biologically-relevant results than previous alternative solutions.

Reciclagem termoquímica de resíduos de plásticos e de pneus por pirólise

A sociedade moderna encontra-se cada vez mais dependente dos combustíveis líquidos bem como de produtos derivados do petróleo. Em virtude do limitado tempo de vida das reservas naturais de petróleo, torna-se imperativo encontrar fontes alternativas de produção de hidrocarbonetos. A pirólise de resíduos de pneus e plásticos pode ser uma dessas possíveis fontes. Neste processo, o tratamento termoquímico implementado aos resíduos permite, não só, a valorização económica resultante da sua transformação em produtos de valor acrescido, como também a recuperação do conteúdo orgânico. O referido processo conduz à formação de hidrocarbonetos em fase líquida que podem ser utilizados pela indústria como combustíveis líquidos e/ou como matéria-prima. O presente trabalho tem como objectivo principal a definição das condições experimentais mais propícias à obtenção de combustíveis líquidos (maximização) resultantes da pirólise de misturas de resíduos de borracha de pneus e plásticos nomeadamente polietileno (PE), polipropileno (PP) e poliestireno (PS). Como instrumento de optimização das condições experimentais optou-se pela Metodologia dos Planos Factoriais de Ensaios. Os resultados experimentais obtidos mostram que as taxas de conversão em fase líquida podem atingir valores superiores a 80% (m/m) dependendo das condições experimentais utilizadas bem como do tipo e mistura de resíduos a pirolisar. Os rendimentos das fracções gasosa e sólida podem atingir valores na ordem dos 5% e 12% (respectivamente). Foi também estudado o efeito das condições experimentais nomeadamente a temperatura de reacção, pressão inicial, tempo de reacção e composição da mistura. Este estudo revelou que a maximização da fracção líquida é favorecida por uma temperatura de ensaio de 370ºC, uma pressão inicial de 0,48MPa e um tempo de ensaio de 15 minutos. Relativamente à composição da mistura, os melhores resultados foram obtidos com 30% (m/m) de resíduos de borracha de pneus (BP) associados a uma mistura de 70% (m/m) de resíduos de plásticos composta por 20% polietileno, 30% polipropileno e 20% poliestireno. Igualmente foi feita a caracterização física e química da matéria-prima e dos produtos obtidos pelo referido processo, bem como, o estudo da presença de diferentes substâncias potencialmente doadores de hidrogénio ao meio reaccional de forma a melhorar o rendimento líquido. Por último, foram realizados estudos cinéticos das reacções químicas de formação dos diferentes produtos aos resíduos de borracha de pneus (BP), misturas de resíduos de plástico (PE, PP e PS) e suas misturas. Ainda, foram ajustados os resultados obtidos pelo modelo teórico aos resultados experimentais, propostos mecanismos reaccionais de formação dos produtos e calculados os parâmetros cinéticos. De acordo com os resultados obtidos, a pirólise pode representar um papel significativo na valorização energética e orgânica destes resíduos apesar de, ainda, ser necessário o desenvolvimento de alguns aspectos tecnológicos de modo a tornar mais atraente a implementação desta tecnologia à escala industrial.

Exploring the links between urban stucture and air quality

A poluição atmosférica constitui actualmente um grave problema ambiental cujos efeitos se fazem sentir a diversas escalas, desde os efeitos imediatos e de longo termo na saúde humana e nos materiais, até fenómenos regionais, como a acificação, e fenómenos globais que durante este século poderão alterar as condições de vida no globo. Apesar da redução das emissões de poluentes atmosféricos, conseguida através do uso de combustíveis mais limpos e tecnologias mais eficientes, as áreas urbanas continuam a evidenciar sinais de degradação ambiental. Para ser bem sucedida a cidade deve enfrentar as três dimensões da sustentabilidade: social, económica e ambiental. O modo de utilização do solo numa zona urbana é uma característica fundamental da cidade, com influência directa no seu desempenho ambiental e na qualidade de vida que proporciona à população. O presente trabalho explora a ligação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar, um dos muitos aspectos do desenvolvimento urbano sustentável. A perspectiva histórica sobre o desenvolvimento urbano, a poluição atmosférica e a sua interligação é abordada, bem como o trabalho de investigação que tem vindo a ser conduzido na área. A aplicação de um sistema de modelação atmosférico a um caso de estudo idealizado demonstra a importância da estrutura espacial da cidade na sustentabilidade urbana, mostrando que cidades compactas com usos do solo misturados promovem uma melhor qualidade do ar quando comparadas com cidades dispersas, com baixa densidade populacional. De modo a explorar a relação entre a estrutura urbana e a qualidade do ar numa zona urbana real, a região urbana do Porto é identificada como um caso de estudo adequado, e o processo de crescimento urbano nas últimas décadas é analisado, assim como os níveis de qualidade do ar da região. De modo a definir a configuração do sistema de modelação mais adequada para a região de estudo, são efectuados diversos testes de sensibilidade com o modelo meteorológico. Relativamente ao modelo de qualidade do ar, é descrito e implementado um conjunto de acções de modo a melhorar o desempenho do modelo para a simulação das concentrações de poluentes na atmosfera urbana, no contexto de alterações do uso do solo. Finalmente, são desenvolvidos e testados, através da aplicação do sistema de modelação, dois cenários alternativos de desenvolvimento urbano para a área de estudo. Estes cenários alternativos implicam diferentes emissões de poluentes e diferentes distribuições espaciais dessas emissões, e como consequência, diferentes níveis de qualidade do ar. O estudo permite concluir que alterações nos padrões de uso do solo em áreas urbanas conduzem a alterações na meteorologia, emissões e qualidade do ar. As áreas urbanas dispersas, quando comparadas com estruturas urbanas compactas são responsáveis por temperaturas mais elevadas, emissões de poluentes para a atmosfera mais elevadas e maiores concentrações de poluentes.

Impacte da qualidade do ar urbana na saúde pública: o caso da cidade do Porto

O benzeno foi o primeiro poluente atmosférico carcinogénico a ser regulamentado a nível europeu. Vários trabalhos têm sido publicados demonstrando a relação deste poluente com diversos tipos de neoplasias nomeadamente decorrentes de exposições a nível ocupacional. Porém, o estudo deste poluente para concentrações atmosféricas em ambientes exteriores ainda é pouco conhecido e está em clara evolução. Neste sentido, este trabalho pretende ser um contributo para o conhecimento da relação entre o benzeno atmosférico e a incidência de patologias que afectam os tecidos linfáticos e órgãos hematopoiéticos nomeadamente linfomas de Hodgkin, linfomas de não-Hodgkin e leucemias na população residente na Área Metropolitana do Porto. Dado a quase ausência de dados de monitorização das concentrações de benzeno atmosférico actualmente em Portugal, estas foram estimadas com base na definição de uma relação entre o benzeno e o monóxido de carbono. O conhecimento das concentrações em todo o domínio de estudo baseou-se na análise dos dados da Rede Automática de Monitorização da Qualidade do Ar porém, de modo a aumentar o detalhe espacial e temporal recorreu-se à modelação atmosférica aplicando o modelo TAPM. Para perceber a evolução temporal das concentrações, a modelação foi efectuada para os anos de 1991, 2001 e 2006 com base no ano meteorológico de 2006 e emissões para os respectivos anos ao nível da freguesia. O modelo foi previamente validado de acordo com uma metodologia proposta para este tipo de modelos. Contudo, mais do que perceber qual a variação da qualidade do ar a nível exterior, é importante conhecer o impacte de fontes interiores e o seu efeito na população. Assim, desenvolveu-se um modelo de exposição e dose que permitem conhecer os valores médios populacionais. A modelação da exposição populacional é efectuada com base nos perfis de actividade-tempo, nos movimentos pendulares inter-concelhos e nas concentrações de benzeno em ambientes exteriores e interiores. Na modelação da dose é ainda possível variações por sexo e idade. Por outro lado, para o estudo das patologias em análise efectuou-se uma análise epidemiológica espacial nomeadamente no que respeita à elaboração de mapas de incidência padronizados pela idade, e estudo da associação com a exposição ao benzeno atmosférico. Os resultados indicam associação entre o benzeno e as doenças em estudo. Esta evidência é mais notória quando a análise é realizada junto às principais fontes de emissão deste poluente, vias de tráfego e postos de abastecimento de combustível. Porém, a ausência de informação limita o estudo não permitindo o controlo de potenciais variáveis de confundimento como a exposição ao fumo do tabaco. A metodologia permite efectuar uma gestão integrada da qualidade do ar exterior e interior, funcionando como uma ferramenta do apoio à decisão para elaboração de planos de prevenção de longo prazo de potenciais efeitos na saúde das populações nomeadamente para outro tipo de patologias.

O sistema dois-hidrido de levedura para confirmação da sinalização de APP Tipo-Noth

Inúmeras potenciais funções foram sugeridas para a APP (Proteína Precursora de Amilóide de Alzheimer), contudo, fisiologicamente, a função precisa da APP não foi ainda desvendada. A APP tem características consistentes com a função de molécula-receptora, capaz de reconhecer sinais extracelulares. Também relevante para este trabalho, é o facto de que a sinalização através de RIP (Proteólise Intramembranar Regulada) tem consequências na expressão génica, como no caso da sinalização tipo-Notch. Tal como a proteína Notch, a APP é processada resultando num fragmento C-terminal designado por AICD (Domínio Intracelular da APP). Neste trabalho é focado o papel importante na sinalização nuclear desempenhado pelo fragmento AICD, especificamente através da interacção com proteínas adaptadoras, promovendo a transcrição. Com o objectivo de contribuir para uma melhor compreensão da base molecular da DA (Doença de Alzheimer), torna-se importante investigar as vias de localização nuclear do AICD e o seu envolvimento na transcrição génica, possivelmente afectando proteínas até agora não associadas à DA. Por estes motivos é fundamental a identificação de novas proteínas que interajam com a APP. Um rastreio foi efectuado, utilizando o sistema Dois-Híbrido em Levedura, para identificar interacções específicas do AICD no cérebro humano e, assim, caracterizar o interactoma do AICD. Foi feito o rastreio de aproximadamente 1.1x108 clones de uma biblioteca de cDNA de cérebro humano com o domínio C-terminal da APP com a mutação Y687E, que mimetiza o estado fosforilado. De experiências anteriores deste laboratório sabemos que a tirosina-687 afecta a localização subcelular da APP e é também consensual que a fosforilação é importante nos mecanismos de transdução de sinais, daí a utilização deste mutante parecer apropriada. O rastreio originou 55 clones positivos que foram analisados para identificar proteínas que interagem com a APP. Dois clones são particularmente importantes, a RanBPM e a Transportin-SR2, visto que estão associadas ao transporte de proteínas para o núcleo e confirmam a sinalização nuclear da APP. ABSTRACT: Many putative functions for APP (Alzheimer’s amyloid precursor protein) have been suggested, although the precise physiological function of APP remains to be elucidated. APP has characteristics consistent with it having a role as a receptor, capable of mediating extracellular signals. Also of relevance to the work described here is that RIP (Regulated Intramembrane Proteolysis) signalling can have consequences in gene expression, similar to Notch signalling. Like the latter, APP is processed by RIP resulting in a C-terminal fragment known as AICD. Here we test the hypothesis that the AICD fragment may play an important role in nuclear signalling, specifically by interacting with adaptor proteins potentiating transcription. Therefore, in order to contribute to our understanding of the molecular basis of AD (Alzheimer’s disease) it is important to investigate the pathways of AICD nuclear targeting and its involvement in gene transcription, possibly affecting other proteins hitherto not associated with AD. Thus, it is important to identify AICD binding proteins. A Yeast Two-Hybrid (YTH) screen was performed to identify human brainspecific AICD binding proteins, and thus characterize the AICD interactome. The screen of approximately 1.1 x108 clones from a human brain cDNA library was carried out using the AICD fragment with an Y687E mutation, which mimics phosphorylation on that residue. From previous work carried out in the laboratory we know that tyrosine-687 phosphorylation affects subcellular localization of APP, and it is also recognized that phosphorylation events are important in signal transduction mechanisms, hence the use of this mutant is appropriate. The YTH screen yielded 55 positive clones that were analysed and several novel brain-specific APP binding proteins were identified. Two clones were particularly important, RanBPM and Transportin-SR2, being that they are associated with the nuclear transport of proteins, and support the nuclear signalling for APP.