Magnetic and transport properties of II-V diluted magnetic semiconductors doped with manganese and nickel

This thesis is devoted to investigations of three typical representatives of the II-V diluted magnetic semiconductors, Zn1-xMnxAs2, (Zn1-xMnx)3As2 and p-CdSb:Ni. When this work started the family of the II-V semiconductors was presented by only the compounds belonging to the subgroup II3-V2, as (Zn1-xMnx)3As2, whereas the rest of the materials mentioned above were not investigated at all. Pronounced low-field magnetic irreversibility, accompanied with a ferromagnetic transition, are observed in Zn1-xMnxAs2 and (Zn1-xMnx)3As2 near 300 K. These features give evidence for presence of MnAs nanosize magnetic clusters, responsible for frustrated ground magnetic state. In addition, (Zn1-xMnx)3As2 demonstrates large paramagnetic response due to considerable amount of single Mn ions and small antiferromagnetic clusters. Similar paramagnetic system existing in Zn1-xMnxAs2 is much weaker. Distinct low-field magnetic irreversibility, accompanied with a rapid saturation of the magnetization with increasing magnetic field, is observed near the room temperature in p- CdSb:Ni, as well. Such behavior is connected to the frustrated magnetic state, determined by Ni-rich magnetic Ni1-xSbx nanoclusters. Their large non-sphericity and preferable orientations are responsible for strong anisotropy of the coercivity and saturation magnetization of p- CdSb:Ni. Parameters of the Ni1-xSbx nanoclusters are estimated. Low-temperature resistivity of p-CdSb:Ni is governed by a hopping mechanism of charge transfer. The variable-range hopping conductivity, observed in zero magnetic field, demonstrates a tendency of transformation into the nearest-neighbor hopping conductivity in non-zero magnetic filed. The Hall effect in p-CdSb:Ni exhibits presence of a positive normal and a negative anomalous contributions to the Hall resistivity. The normal Hall coefficient is governed mainly by holes activated into the valence band, whereas the anomalous Hall effect, attributable to the Ni1-xSbx nanoclusters with ferromagnetically ordered internal spins, exhibits a low-temperature power-law resistivity scaling.

Dispersive liquid-liquid microextraction based on solidification of floating organic drop for simultaneous separation/preconcentration of nickel, cobalt and copper prior to determination by electrothermal atomic absorption spectrometry

A dispersive liquid-liquid microextraction based on solidification of floating organic drop for simultaneous extraction of trace amounts of nickel, cobalt and copper followed by their determination with electrothermal atomic absorption spectrometry was developed. 300 µL of acetone and 1-undecanol was injected into an aqueous sample containing diethyldithiocarbamate complexes of metal ions. For a sample volume of 10 mL, enrichment factors of 277, 270 and 300 and detection limits of 1.2, 1.1 and 1 ng L-1 for nickel, cobalt and copper were obtained, respectively. The method was applied to the extraction and determination of these metals in different water samples.

Potentiometric determination of Nickel (II) ion using 2-hydroxy-1-naphthylidene-N-cyanoacetohydrazone as electroactive material

A potentiometric Nickel sensor was prepared using 2-hydroxy-1-naphthylidene-N-cyanoacetohydrazone as electro-active material and epoxy resin as a binding material. A membrane composed of 40% Schiff's base and 60% epoxy resin exhibited the best performance. The membrane showed excellent response in the concentration range of 0.15 ppm to 0.1 mol L- 1 Ni+2 ions with non-Nernstian slope of 22.0 mV/decade, had a rapid response time (less than 10 s), and can be used for three months without any considerable loss of potential. The sensor was useful within the pH range of 1.3 to 9.6, and was able to discriminate between Ni2+ and a large number of alkaline earth and transition metal ions. The practical utility of the sensor has been demonstrated by using it successfully as an indicator electrode in the potentiometric titration of Ni2+ with EDTA and oxalic acid.

Thermoanalytical study of the complexes of 4-dimetilaminocinnamylidenepiruvate with manganese (II), cobalt (II), nickel (II), cupper (II), zinc (II) and lead (II), in the solid state

Solid state compounds M-4-DMCP, where 4-DMCP is 4-dimethylaminocinnamylidenepyruvate and M represents Mn (II), Co (II), Ni (II), Cu (II), Zn (II) and Pb (II) were prepared. These compounds were studied by thermoanalitycal techniques: thermogravimetry (TG), derivative thermogravimetry (DTG), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction powder patterns and complexometric titration with EDTA. From the results obtained by the complexometric titration with EDTA, TG, DTG and DSC curves, was possible to establish the hydration degree, stoichiometry and thermal stability of the prepared compounds.

Determination of Copper, Iron, Nickel and Zinc in fuel kerosene by FAAS after adsorption and pre-concentration on 2-aminothiazole-modified silica gel

Silica gel chemically modified with 2-Aminotiazole groups, abbreviated as SiAT, was used for preconcentration of copper, zinc, nickel and iron from kerosene, normally used as a engine fuel for airplanes. Surface characteristics and surface area of the silica gel were obtained before and after chemical modification using FT-IR, Kjeldhal and surface area analysis (B.E.T.). The retention and recovery of the analyte elements were studied by applying batch and column techniques. The experimental parameters, such as shaking time in batch technique, flow rate and concentration of the eluent (HCl- 0.25-2.00 mol L-1) and the amount of silica, on retention and elution, have been investigated. Detection limits of the method for copper, iron, nickel and zinc are 0.77, 2.92, 1.73 and 0.097 mg L-1, respectively. The sorption-desorption of the studied metal ions made possible the development of a preconcentration method for metal ions at trace level in kerosene using flame AAS for their quantification.

Synthesis, characterization and thermal behaviour of solid state compounds of 4-methoxybenzoate with Manganese, Nickel and Copper

Solid state M-L compounds, where M stands for bivalent Mn, Ni, Cu and L is 4-methoxybenzoate, have been synthesized. Simultaneous thermogravimetry - differential thermal analysis (TG-DTA), X-ray powder diffractometry, infrared spectroscopy, elemental analysis and complexometry were used to characterize and to study the thermal behaviour of these compounds. The results led to information about the composition, dehydration, thermal stability and thermal decomposition of the isolated compounds.

Ammonia regeneration in nickel matte chloride leaching

Ammonia can be used as a pH controller in chloride-based metal recovery processes. In chloride conditions, ammonia reacts to ammonium chloride which can be regenerated back to ammonia with lime. Although the regeneration process itself has been known for a long time, the concentrations, non-reacting species, conditions, and even goals are different when comparing the ammonia regeneration process in different industries. The main objective of this thesis was to study the phenomena, equipment, and challenges in ammonia regeneration in the nickel process and to make a preliminary process design. The study concentrated on the regeneration and recovery units. The thesis was made by process simulation and laboratory tests using the current processes as initial information. The results were combined from all of the information obtained during the studies to provide a total process solution, which can be used as a basis when designing an ammonia regeneration process to be used in industry. In particular, it was possible to determine ammonia recovery with a stripping column and the achievement of the desired ammonia water product within the scope of this thesis. The required mass flows and process conditions were also determined. The possible challenges and solutions or further studies to overcome them were provided as well to ease the prediction and design of the ammonia regeneration process in the future. On the basis of the results of this thesis, the ammonia regeneration process can be developed further and implemented in the nickel chloride leaching process.

Arc fusion of self-fluxed nickel alloys

Self-fluxed nickel alloys are usually flame fused after thermal spraying. However, due to the practical aspects of high temperatures reached during flame fusing, large structures such as the hydraulic turbines for power generation, can not be efficiently coated. An alternative is to fuse the sprayed coating with a gas tungsten electric arc. In this case, heating is much more intensive and substrate temperature during and after the fusing operation is much lower, thus reducing the possibility that any problem will occur. In this work, coatings of self-fluxed nickel alloy fused by flame and gas tungsten arc were evaluated as protection of hydraulic turbines against cavitational damage. Several tests were performed, including the ASTM ultrasonically vibration-induced cavitation, optical and scanning electronic microscopic metallography, and hardness tests. The results showed that the arc-fused coating presented better cavitation damage resistance, probably due to its finer microstructure. A field application of this new technique is also described. A self-fluxed Ni alloy was flame sprayed in critical regions of Francis-type hydraulic turbine blades and fused by a gas tungsten arc after spraying. The blades will be inspected during the next two years.

Effects of nickel on the mineral composition of Fleischmann’s yeast (Saccharomyces cerevisiae)

Sugar cane juice containing 12% (w.w -1) of total reducing sugars and 0.0 to 5.0 mmol of nickel L-1, with pH ranging from 3.5 to 6.5, was inoculated with Fleischmann’s yeast (Saccharomyces cerevisiae) (10% w.w -1). Six hours after fermentation, the yeast’s cellular viability and trehalose content were evaluated. The resulting must was centrifuged and the raw yeast was analyzed by atomic absorption spectroscopy to evaluate the intracellular levels of calcium, copper, iron, magnesium, manganese, nickel, phosphorus, potassium, sulfur and zinc. The intracellular levels of iron, magnesium and calcium were affected and the yeast’s susceptibility to nickel was enhanced by the decrease in pH. The yeast’s growth was not affected by nickel at high pH, but the toxic effects of nickel were potentiated at low pH.

Studies of some cocondensations of nickel atoms with unsaturated organic ligands and with mixed ligand systems

The cocondensation of nickel with a number of unsaturated ligands was studied, as was the cocondensation with a number of mixed ligand systems. Enamines were found not to react with nickel while acrylonitrile was polymerized. In the mixed ligand syst.ems different products were obtained than when the ligands were cocondensed individually. Cocondensations of benzyl halide/allyl halide mixtures gave unstable products that were not observed when the halides were cocondensed individually. The effect of Kao-Wool insulation on nickel/benzyl halide cocondensations was found to be significant. Kao-Wool caused the bulk of the benzyl halide to be polymeri zed to a number of poly-benzylic species. An alkali metal reactor was designed for the evaporation of sodium and potassium atoms into cold solutions of metal halide and an or ganic substrate. This apparatus was used to synthesize Ni(P¢3 )3' but proved unsuccessful for synthesizing a nickel-enamine compound.

The effects of temperature on nickel tocicity in goldfish (carassius auratus L.)

Although it is widely assumed that temperature affects pollutant toxicity, few studies have actually investigated this relationship. Moreover, such research as has been done has involved constant temperatures; circumstances which are rarely, if ever, actually experienced by north temperate, littoral zone cyprinid species. To investigate the effects of temperature regime on nickel toxicity in goldfish (Carassius auratus L.), 96- and 240-h LCSO values for the heavy metal pollutant, nickel (NiCI2.6H20), were initially determined at 2DoC (22.8 mg/L and 14.7 mg/L in artificially softened water). Constant temperature bioassays at 10°C, 20°C and 30°C were conducted at each of 0, 240-h and 96-h LCSO nickel concentrations for 240 hours. In order to determine the effects of temperature variation during nickel exposure it was imperative that the effects of a single temperature change be investigated before addressing more complex regimes. Single temperature changes of + 10°C or -10°C were imposed at rates of 2°C/h following exposures of between 24 hand 216 h. The effects of a single temperature change on mortality, and duration of toxicant exposure at high and low temperatures were evaluated. The effects of fluctuating temperatures during exposure were investigated through two regimes. The first set of bioassays imposed a sinewave diurnal cycle temperature (20.±.1DOC) throughout the 10 day exposure to 240-h LeSO Ni. The second set of investigations approximated cyprinid movement through the littoral zone by imposing directionally random temperature changes (±2°C at 2-h intervals), between extremes of 10° and 30°C, at 240-h LC50 Ni. Body size (i.e., total length, fork length, and weight) and exposure time were recorded for all fish mortalities. Cumulative mortality curves under constant temperature regimes indicated significantly higher mortality as temperature and nickel concentration were increased. At 1DOC no significant differences in mortality curves were evident in relation to low and high nickel test concentrations (Le., 16 mg/L and 20 mg/L). However at 20°C and 30°C significantly higher mortality was experienced in animals exposed to 20 mg/L Ni. Mortality at constant 10°C was significantly lower than at 30°C with 16 mg/L and was significantly loWer than each of 2DoC and 39°C tanks at 20 mg/L Ni exposure. A single temperature shift from 20°C to 1DoC resulted in a significant decrease in mortality rate and conversely, a single temperature shift from 20°C to 30°C resulted in a significant increase in mortality rate. Rates of mortality recorded during these single temperature shift assays were significantly different from mortality rates obtained under constant temperature assay conditions. Increased Ni exposure duration at higher temperatures resulted in highest mortality. Diurnally cycling temperature bioassays produced cumulative mortality curves approximating constant 20°C curves, with increased mortality evident after peaks in the temperature cycle. Randomly fluctuating temperature regime mortality curves also resembled constant 20°C tanks with mortalities after high temperature exposures (25°C - 30°C). Some test animals survived in all assays with the exception of the 30°C assays, with highest survival associated with low temperature and low Ni concentration. Post-exposure mortality occurred most frequently in individuals which had experienced high Ni concentrations and high temperatures during assays. Additional temperature stress imposed 2 - 12 weeks post exposure resulted in a single death out of 116 individuals suggesting that survivors are capable of surviving subsequent temperature stresses. These investigations suggest that temperature significantly and markedly affects acute nickel toxicity under both constant and fluctuating temperature regimes and plays a role in post exposure mortality and subsequent stress response.

Lung cancer risk associated with occupational exposure to nickel, chromium VI, and cadmium in two population-based case-control studies in Montreal.

Cancer du poumon associé à l’exposition au nickel, au chrome VI et au cadmium dans le milieu de travail utilisant deux études populationnelles cas-témoins à Montréal. Au début des années 1990, le nickel, le chrome VI et le cadmium ont été classés en tant qu’agents cancérigènes de classe 1 par le CIRC (Centre International de Recherche sur le Cancer). Cependant, les résultats des études ayant permis la classification de ces métaux n’ont pas toujours été reproduits, et d’importantes questions demeurent quant aux effets de ces métaux à de faibles niveaux d’exposition. Un plus grand nombre de recherches empiriques est donc nécessaire afin de réaffirmer la cancérogénicité de ces agents, et d’identifier les circonstances dans lesquelles ils peuvent être néfastes. L'objectif de cette étude était d'explorer la relation entre l’exposition à un des métaux (soit le nickel, le chrome VI, ou le cadmium) et les risques subséquents de développer un cancer du poumon chez des travailleurs provenant de différents milieux de travail qui sont exposés à ces métaux à de différents degrés. Deux études cas-témoins de base populationnelle menées à Montréal ont fourni les données nécessaires pour examiner la cancérogénicité de ces métaux. La première étude était menée entre 1979 et 1986 chez des hommes âgés de 35 à 70 ans ayant un cancer dans l’un de 19 sites anatomiques de cancer sélectionnés. La seconde étude était menée entre 1996 et 2001 chez des hommes et des femmes âgés de 35 à 75 ans, avec un diagnostic de tumeur maligne au poumon. Dans ces deux études, les cas ont été recensés dans tous les hôpitaux de l'île de Montréal, tandis que les contrôles populationnels appariés par âge et stratifiés par sexe, ont été sélectionnés des listes électorales. Une entrevue avec chaque sujet a permis d'obtenir un historique d'emploi détaillé ainsi que des informations précises sur les facteurs de risques socio-économiques et personnels. Les descriptions de poste ont été évaluées par une équipe d'experts chimistes et hygiénistes afin de déterminer si le sujet a été exposé à chaque agent, et pour mesurer à la fois la concentration et la durée de chaque exposition, ainsi que l’exposition cumulative tout au long de la vie de chaque participant. Pour déterminer si une exposition à l’un des trois métaux en cause était associée à une augmentation de l'incidence du cancer du poumon, des données ont été analysées par régression logistique : des ajustements ont été effectués pour des facteurs de confusion pertinents incluant un historique détaillé du tabagisme. Des mesures catégoriques d'exposition cumulée ont été également analysées, ainsi que la modification des effets par le tabagisme. Les deux études ont été analysées séparément, puis par la suite combinées afin d'augmenter la puissance statistique. Les niveaux d'exposition mesurés dans cette population ne semblaient pas poser un excès de risque de cancer du poumon pour les travailleurs exposés au chrome VI. Cependant, ceux qui ont été exposés au nickel ont subi une augmentation significative du risque, et ce, quel que soit leur niveau d'exposition. Le risque de développer un cancer du poumon suite à une exposition au cadmium était élevé, mais pas de manière significative. Pour chacun des trois métaux, le risque de cancer du poumon était très élevé parmi les non-fumeurs, mais pas parmi les fumeurs. L’effet combiné du tabagisme et de l’exposition aux métaux était compatible avec un excès de risque additif. Cependant, les intervalles de confiance dans cette étude tendaient à être larges, et une faiblesse de puissance statistique peut limiter l’interprétation de certains résultats. Cette étude est unique dans la mesure où elle a fourni des preuves empiriques sur les risques de développer le cancer du poumon liés aux faibles niveaux d’exposition au nickel, au chrome VI, ou au cadmium provenant de divers contextes de travail. Dans la plupart des autres études, la majorité des expositions pertinentes n’ont pas été bien contrôlées. À l'inverse, cette étude a bénéficié de la collecte et de la disponibilité d'information détaillée concernant le tabagisme et d’autres facteurs de risque. Les résultats de cette étude ont d'importantes conséquences pour la santé publique, tant au niveau de la détermination des risques pour les travailleurs actuellement exposés à ces métaux, qu'au niveau de l’évaluation des risques pour la population en général, elle-même exposée à ces métaux par le biais de la pollution et de la fumée de cigarette. Cette analyse contribuera fort probablement à une réévaluation par le CIRC de la cancérogénicité de ces métaux. L'exploration de la relation entre les risques de cancer du poumon et l'exposition au nickel, au chrome VI et au cadmium est donc opportune et pertinente.

Complexes pinceurs de cobalt et de nickel : synthèse, caratérisation, réactivité

Plusieurs nouveaux complexes pinceurs de cobalt et de nickel ont été préparés avec le ligand pinceur de type POCOP : 2,6-(i-Pr2PO)2C6H4. Dans le cas du cobalt, une nouvelle voie de synthèse a été développée. Contrairement au cas du nickel, il s’agit ici de cobalt au degré d’oxydation +III. Les composés obtenus sont paramagnétiques. En outre, le dérivé bromé est instable à la lumière et se décompose en perdant un brome pour former le complexe pinceur de Co(II). La réactivité de ces complexes a été étudiée. Pour ce qui est du nickel, la catalyse de l’hydroamination a été élargie aux dérivés de l’acrylonitrile et aux amines aromatiques. En outre, la réaction d’hydroaryloxylation a été étudiée dans les mêmes conditions. Enfin, avec le 4-cyanostyrène et le cinnamonitrile, la formation d’amidines a été observée. Un complexe pinceur portant cette amidine a été isolé. Enfin, le cation réagit avec des anions fortement coordonnants tels le cyanure ou l’isocyanate. En outre, l’anion triflate peut être déplacé par l’eau, l’acrylonitrile et ses dérivés. Enfin, une réactivité particulière a été observée avec la morpholine, l’acétone et un mélange 1:1 aniline/triéthylamine.

Complexes pinceurs de type POCOP de Nickel (II) : synthèse, caractérisation, réactivité et applications catalytiques

Ce mémoire décrit la synthèse, la caractérisation spectroscopique et l’étude de la réactivité catalytique d’une nouvelle série de complexes pinceurs de Ni(II) formés à partir du ligand POCOPPh (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H4), très peu étudié dans le cas du nickel. Les études décrites dans ce mémoire examinent l’effet des substituants des phosphines sur les propriétés spectroscopiques et électrochimiques ainsi que les activités catalytiques. La synthèse du ligand a été améliorée par rapport à la procédure connue dans la littérature en diminuant le temps de réaction à 30 min et la température jusqu'à température ambiante. Les composés pinceur (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H3)NiX ont été obtenus avec des rendements variant entre 60% et 88%. Le premier complexe a été synthétisé en faisant réagir le précurseur NiBr2(NCCH3)x avec le ligand POCOPPh pour donner (POCOPPh)NiBr. Ce dernier réagit par la suite avec les sels d’argent et de potassium pour donner 4 nouveaux complexes soient : (POCOPPh)NiCN, (POCOPPh)NiOTf, (POCOPPh)NiOAc et (POCOPPh)NiONO2 (OTf = triflate et OAc = acetate). Vu la réactivité limitée du dérivé bromure, le dérivé (POCOPPh)NiOTf a été utilisé pour la préparation du composé (POCOPPh)NiCCPh. Le dérivé Ni-OTf a été utilisé également pour la synthèse des complexes (POCOPPh)NiR qui ont été détectés par RMN. Ces complexes (POCOPPh)NiR ont montré une stabilité trop faible et donnent des nouveaux complexes de type (POCOPPh)NiX en échangeant l’halogène avec le Mg ou de type (POCOPPh)NiOH en s’hydrolysant. Les espèces cationiques [(POCOPPh)NiNCR][OTf] (R= Me, CHCH2, CHCHMe, C(Me)CH2, NCCH2CH2N(Ph)H) ont été obtenues facilement et avec des bon rendements à partir du (POCOPPh)NiOTf. Tous les composés obtenus ont été caractérisés par la spectroscopie RMN (1H, 13C{1H}, 31P{1H}, 19F{1H}), la spectroscopie IR et la spectroscopie UV-vis. L’analyse élémentaire et l’analyse par la diffraction des rayons X, dont le but est de résoudre la structure à l’état solide, ont été utilisées pour la plupart des complexes. Des études de voltampérométrie cyclique ont été menées pour déterminer la densité électronique des centres métalliques et l’effet des phosphines sur cette propriété électrochimique. Dans le but de déterminer l’effet des substituants des phosphines sur l’activité catalytique des complexes, nous avons évalué les réactivités catalytiques des deux complexes (POCOPPh)NiOTf et (POCOPi-Pr)NiOTf dans la réaction d’hydroamination des oléfines activés et plus spécifiquement l’acrylonitrile. Après optimisation des conditions expérimentales, on a constaté que la réactivité des deux composés sont similaires mais une grande différence apparaît après l’ajout des additifs. En effet, le complexe (POCOPi-Pr)NiOTf donne une bonne activité catalytique en présence de la triéthylamine, tandis que cette activité diminue considérablement en présence d’eau, contrairement au complexe (POCOPPh)NiOTf qui est plus actif en présence d’eau. Dans le cas du complexe (POCOPPh)NiOTf, on a pu montrer que la base se coordonne au nickel dans le produit formé après la réaction d’hydroamination, ce qui diminue l’activité de ce complexe dans certains cas. Également on a exploré la réaction de l’addition du lien O-H sur l’acrylonitrile, et étonnamment le complexe (POCOPPh)NiOTf est beaucoup plus actif que son homologue (POCOPi-Pr)NiOTf dans le cas des alcools aromatiques. Par contre, les alcools aliphatiques restent un défi majeur pour ce genre de complexe. Le mécanisme de cette réaction qui a été proposé montre que l’alcoolyse passe par les deux intermédiaires (POCOPPh)NiOAr et [(POCOPPh)NiOAr][HOAr] mais l’isolation de ces intermédiaires observés par RMN semble être difficile.