Carbon-supported ionic liquids as innovative adsorbents for CO2 separation from synthetic flue-gas

Fixed-bed thermodynamic CO2 adsorption tests were performed in model flue-gas onto Filtrasorb 400 and Nuchar RGC30 activated carbons (AC) functionalized with [Hmim][BF4] and [Emim][Gly] ionic liquids (IL). A comparative analysis of the CO2 capture results and N2 porosity characterization data evidenced that the use of [Hmim][BF4], a physical solvent for carbon dioxide, ended up into a worsening of the parent AC capture performance, due to a dominating pore blocking effect at all the operating temperatures. Conversely, the less sterically-hindered and amino acid-based [Emim][Gly] IL was effective in increasing the AC capture capacity at 353 K under milder impregnation conditions, the beneficial effect being attributed to both its chemical affinity towards CO2 and low pore volume reduction. The findings derived in this work outline interesting perspectives for the application of amino acid-based IL supported onto activated carbons for CO2 separation under post-combustion conditions, and future research efforts should be focused on the search for AC characterized by optimal pore size distribution and surface properties for IL functionalization.

Aryne Reactions in the Synthesis of Heterocyclic Molecules

Reactive intermediates play an important the within the realm of chemical synthesis. Their high energy and transient nature make them difficult to observe and characterize, but it is these same properties that empower them to form bonds traditionally seen as difficult to prepare and unusual architectures quickly and efficiently. Herein, two reactive intermediates, arynes and transitient (2azaaryl)-cuprates, are exploited for their abilities to prepare important chemical motifs. Both serve as an avenue into the functionalization of arenes to provide products which hold value in a variety of fields including natural product total syntethis, pharmaseuticals and ligand design.

Multifuncionalização de nanopartículas de CoFe2O4 pela incorporação da prata na sua superfície : síntese e caracterização

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2015.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Functionalized Carbon Micro/Nanostructures for Biomolecular Detection

Advancements in the micro-and nano-scale fabrication techniques have opened up new avenues for the development of portable, scalable and easier-to-use biosensors. Over the last few years, electrodes made of carbon have been widely used as sensing units in biosensors due to their attractive physiochemical properties. The aim of this research is to investigate different strategies to develop functionalized high surface carbon micro/nano-structures for electrochemical and biosensing devices. High aspect ratio three-dimensional carbon microarrays were fabricated via carbon microelectromechanical systems (C-MEMS) technique, which is based on pyrolyzing pre-patterned organic photoresist polymers. To further increase the surface area of the carbon microstructures, surface porosity was introduced by two strategies, i.e. (i) using F127 as porogen and (ii) oxygen reactive ion etch (RIE) treatment. Electrochemical characterization showed that porous carbon thin film electrodes prepared by using F127 as porogen had an effective surface area (Aeff 185%) compared to the conventional carbon electrode. To achieve enhanced electrochemical sensitivity for C-MEMS based functional devices, graphene was conformally coated onto high aspect ratio three-dimensional (3D) carbon micropillar arrays using electrostatic spray deposition (ESD) technique. The amperometric response of graphene/carbon micropillar electrode arrays exhibited higher electrochemical activity, improved charge transfer and a linear response towards H2O2 detection between 250μM to 5.5mM. Furthermore, carbon structures with dimensions from 50 nano-to micrometer level have been fabricated by pyrolyzing photo-nanoimprint lithography patterned organic resist polymer. Microstructure, elemental composition and resistivity characterization of the carbon nanostructures produced by this process were very similar to conventional photoresist derived carbon. Surface functionalization of the carbon nanostructures was performed using direct amination technique. Considering the need for requisite functional groups to covalently attach bioreceptors on the carbon surface for biomolecule detection, different oxidation techniques were compared to study the types of carbon–oxygen groups formed on the surface and their percentages with respect to different oxidation pretreatment times. Finally, a label-free detection strategy using signaling aptamer/protein binding complex for platelet-derived growth factor oncoprotein detection on functionalized three-dimensional carbon microarrays platform was demonstrated. The sensor showed near linear relationship between the relative fluorescence difference and protein concentration even in the sub-nanomolar range with an excellent detection limit of 5 pmol.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Synthesis of Anisotropic Magnetic Nanoobjects Designed for Locomotion in External Magnetic Fields

The subject of the present work is the synthesis of novel nanoscale objects, designed for self-propulsion under external actuation. The synthesized objects present asymmetric hybrid particles, consisting of a magnetic core and polymer flagella and their hydrodynamic properties under the actuation by external magnetic fields are investigated. The single-domain ferromagnetic cobalt ferrite nanoparticles are prepared by thermal decomposition of a mixture of metalorganic complexes based on iron (III) cobalt (II) in non-polar solvents. Further modification of the particles includes the growth of the silver particle on the surface of the cobalt ferrite particle to form a dumbbell-shaped heterodimer. Different possible mechanisms of dumbbell formation are discussed. A polyelectrolyte tail with ability to adjust the persistence length of the polymer, and thus the stiffness of the tail, by variation of pH is attached to the particles. A polymer tail consisting of a polyacrylic acid chain is synthesized by hydrolysis of poly(tert-butyl acrylate) obtained by atom transfer radical polymerization (ATRP). A functional thiol end-group enables selective attachment of the tail to the silver part of the dumbbell, resulting in an asymmetric functionalization of the dumbbells. The calculations on the propulsion force and the sperm number for the resulting particles reveal a theoretical possibility for the propelled motion. Under the actuation of the particles with flagella by alternating magnetic field an increase in the diffusion coefficient compared to non-actuated or non-functionalized particles is observed. Further development of such systems for application as nanomotors or in drug delivery is promising.

Engineered zeolitic materials: synthesis and application

Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d’applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d’autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l’adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d’aluminium) et des paramètres réactionnels (l’alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d’intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l’efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d’utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d’applications, en particulier pour de l’adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d’une série d’expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d’adsorption de glycérol un peu plus élevée, l’étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d’adsorption, par rapport à d’autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes.

Impact of biohybrid magnetite nanoparticles and moroccan propolis on adherence of methicillin resistant strains of staphylococcus aureus

Biofilm bacteria are more resistant to antibiotics than planktonic cells. Propolis possesses antimicrobial activity. Generally, nanoparticles containing heavy metals possess antimicrobial and antibiofilm properties. In this study, the ability of adherence of Methicillin Resistant Strains of Staphylococcus aureus (MRSA) to catheters treated with magnetite nanoparticles (MNPs), produced by three methods and functionalized with oleic acid and a hydro-alcoholic extract of propolis from Morocco, was evaluated. The chemical composition of propolis was established by gas chromatography mass spectrometry (GC-MS), and the fabricated nanostructures characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), Mossbauer spectroscopy and Fourrier transform infrared spectroscopy (FTIR). The capacity for impairing biofilm formation was dependent on the strain, as well as on the mode of production of MNPs. The co-precipitation method of MNPs fabrication using Fe(3+) and Na₂SO₃ solution and functionalized with oleic acid and propolis was the most effective in the impairment of adherence of all MRSA strains to catheters (p < 0.001). The adherence of the strain MRSA16 was also significantly lower (p < 0.001) when the catheters were treated with the hybrid MNPs with oleic acid produced by a hydrothermal method. The anti-MRSA observed can be attributed to the presence of benzyl caffeate, pinocembrin, galangin, and isocupressic acid in propolis extract, along with MNPs. However, for MRSA16, the impairment of its adherence on catheters may only be attributed to the hybrid MNPs with oleic acid, since very small amount, if any at all of propolis compounds were added to the MNPs.