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.

A hydrogel based zinc(ii) sensor for use in fluorescent multi-well plate analysis

A polymeric hydrogel containing a photoinduced electron transfer (PET) based probe for Zn(ii) has been formulated into the wells of a 96-well plate. Upon addition of Zn(ii) ions to selected wells, the fluorescence of the gel was observed to increase in a concentration dependent manner in the 0.25-1.75 mM range. The millimolar binding constant observed for this probe is higher than that reported for other Zn(ii) probes in the literature and offers the possibility to determine the concentration of this ion in environments where the Zn(ii) concentration is high. The combination of the multi-well plate set-up with fluorescence detection offers the possibility of high-throughput screening using low sample volumes in a timely manner. To the best of our knowledge, this is the first reported example of a polymeric hydrogel sensor for zinc with capability for use in fluorescence multi-well plate assay.

Microbial Ecology and Geo-electrical Responses across a Groundwater Plume

We have used geophysics, microbiology, and geochemistry to link large-scale (30+ m) geophysical self-potential (SP) responses at a groundwater contaminant plume with its chemistry and microbial ecology of groundwater and soil from in and around it. We have found that microbially mediated transformation of ammonia to nitrite, nitrate, and nitrogen gas was likely to have promoted a well-defined electrochemical gradient at the edge of the plume, which dominated the SP response. Phylogenetic analysis demonstrated that the plume fringe or anode of the geobattery was dominated by electrogens and biodegradative microorganisms including Proteobacteria alongside Geobacteraceae, Desulfobulbaceae, and Nitrosomonadaceae. The uncultivated candidate phylum OD1 dominated uncontaminated areas of the site. We defined the redox boundary at the plume edge using the calculated and observed electric SP geophysical measurements. Conductive soils and waste acted as an electronic conductor, which was dominated by abiotic iron cycling processes that sequester electrons generated at the plume fringe. We have suggested that such geoelectric phenomena can act as indicators of natural attenuation processes that control groundwater plumes. Further work is required to monitor electron transfer across the geoelectric dipole to fully define this phenomenon as a geobattery. This approach can be used as a novel way of monitoring microbial activity around the degradation of contaminated groundwater plumes or to monitor in situ bioelectric systems designed to manage groundwater plumes.

An in situ ionic-liquid-assisted synthetic approach to iron fluoride/graphene hybrid nanostructures as superior cathode materials for lithium ion batteries

A tactful ionic-liquid (IL)-assisted approach to in situ synthesis of iron fluoride/graphene nanosheet (GNS) hybrid nanostructures is developed. To ensure uniform dispersion and tight anchoring of the iron fluoride on graphene, we employ an IL which serves not only as a green fluoride source for the crystallization of iron fluoride nanoparticles but also as a dispersant of GNSs. Owing to the electron transfer highways created between the nanoparticles and the GNSs, the iron fluoride/GNS hybrid cathodes exhibit a remarkable improvement in both capacity and rate performance (230 mAh g^-1 at 0.1 C and 74 mAh g^-1 at 40 C). The stable adhesion of iron fluoride nanoparticles on GNSs also introduces a significant improvement in long-term cyclic performance (115 mAh g^-1 after 250 cycles even at 10 C). The superior electrochemical performance of these iron fluoride/GNS hybrids as lithium ion battery cathodes is ascribed to the robust structure of the hybrid and the synergies between iron fluoride nanoparticles and graphene. © 2013 American Chemical Society.

Fluorescent Signalling of the Brain Neurotransmitter Gamma Amino Butyric Acid and Related Amino Acid Zwitterions

Fluorescent PET (photoinduced electron transfer) sensor 1 with monoaza-18-crown-6 ether and guanidinium receptor units shows a significant fluorescence enhancement with y-aminobutyric acid (GABA) in mixed aqueous solution.

From Sensing to Molecular Logic: A Journey

A personal account of the establishment of luminescent PET (photoinduced electron transfer) sensing and its development into molecular logic is given. Several applications of these two research areas, e.g. blood electrolyte diagnostics, ‘lab-on-amolecule’ systems and molecular computational identification (MCID) are illustrated.

Unconventional Computing: A Boolean Chemical Perspective

Elementary computing operations can be arranged within molecules so that problems in chemical, biochemical, and biological situations can be addressed. Problems that are found in small and/or living spaces, where the corresponding semiconductor logic devices cannot operate conveniently, are particularly amenable to this approach. The visualization and monitoring of intracellular species is one such category. Problems in medical diagnostics and therapy form additional categories. Chemists and biologists employ chemical synthesis and molecular biology techniques to build molecular logic devices. The photochemical approach to molecular logic devices is particularly prevalent. The fluorescent photoinduced electron transfer (PET) switching principle is particularly useful for designing logic functions into small molecules.

Dual interfacial modifications of hierarchically structured iodine-doped ZnO photoanodes for high-efficiency dye-sensitized solar cells

A nanocomposite porous electrode structure consisting of hierarchical iodine-doped zinc oxide (I-ZnO) aggregates combined with the two simple solution-processed interfacial modifications i.e. a ZnO compact layer (CL) and a TiO2 protective layer (PL) has been developed in order to understand electron transport and recombination in the photoanode matrix, together with boosting the conversion efficiency of I-ZnO based dye-sensitized solar cells (DSCs). Electrochemical impedance spectra demonstrate that ZnO CL pre-treatment and TiO2 PL post-treatment synergistically reduce charge-transfer resistance and suppress electron recombination. Furthermore, the electron lifetime in two combined modifications of IZnO + CL + PL photoelectrode is the longest in comparison with the other three photoelectrodes. As a consequence, the overall conversion efficiency of I-ZnO + CL + PL DSC is significantly enhanced to 6.79%, with a 36% enhancement compared with unmodified I-ZnO DSC. Moreover, the stability of I-ZnO + CL + PL cell is improved as compared to I-ZnO one. The mechanism of electron transfer and recombination upon the introduction of ZnO CL and TiO2 PL is also proposed in this work.

Bright Molecules for Sensing, Computing and Imaging: A Tale of Two Once-troubled Cities

The circumstances in Colombo, Sri Lanka, and in Belfast, Northern Ireland, which led to a) the generalization of luminescent PET (photoinduced electron transfer) sensing/switching as a design tool, b) the construction of a market-leading blood electrolyte analyzer and c) the invention of molecular logic-based computation as an experimental field, are delineated. Efforts to extend the philosophy of these approaches into issues of small object identification, nanometric mapping, animal visual perception and visual art are also outlined.

Insight into CO Activation over Cu(100) under Electrochemical Conditions

The reduction of CO₂ on copper electrodes has attracted great attentions in the last decades, since it provides a sustainable approach for energy restore. During the CO₂ reduction process, the electron transfer to CO_ads is experimentally suggested to be the crucial step. In this work, we examine two possible pathways in CO activation, i.e. to generate COH_ads and CHO_ads, respectively, by performing the state-of-the-art constrained ab initio molecular dynamics simulations on the charged Cu(100) electrode under aqueous conditions, which is close to the realistic electrochemical condition. The free energy profile in the formation of COH_ads via the coupled proton and electron transfer is plotted. Furthermore, by Bader charge analyses, a linear relationship between C-O bond distance and the negative charge in CO fragment is unveiled. The formation of CHO_ads is identified to be a surface catalytic reaction, which requires the adsorption of H atom on the surface first. By comparing these two pathways, we demonstrate that kinetically the formation of COH_ads is more favored than that of CHO_ads, while CHO_ads is thermodynamically more stable. This work reveals that CO activation via COH_ads intermediate is an important pathway in electrocatalysis, which could provide some insights into CO₂ electroreduction over Cu electrodes.

Phthalocyanine-based systems: synthesis, properties and applications

A presente dissertação descreve a síntese e o estudo de propriedades fotofísicas e biológicas de sistemas baseados em ftalocianinas. Os sistemas sintetizados consistem em ftalocianinas contendo unidades de D-galactose, ciclodextrinas, [60]fulereno ou porfirinas. Na primeira parte da dissertação aborda-se a síntese de ftalocianinas substituídas com unidades de D-galactose, com o intuito de serem utilizadas como fotossensibilizadores em terapia fotodinâmica. A eficiência de geração de oxigénio singuleto induzida pelas glicoftalocianinas, bem como a sua actividade fotodinâmica in vitro em células HeLa são avaliadas. Adicionalmente são descritos os estudos de MALDI-MS/MS de dois pares de glicoftalocianinas isoméricas. Numa segunda parte, descrevem-se a síntese e a caracterização de sistemas supramoleculares de ftalocianinas ligadas a ciclodextrinas ou [60]fulereno. Foram desenvolvidas metodologias sintéticas para obter complexos ftalocianínicos de ruténio(II) substituídos axialmente com derivados de ciclodextrinas, e complexos ftalocianínicos de zinco(II) ligados covalentemente a ciclodextrinas. Descreve-se também a síntese de uma díade ftalocianina- [60]fulereno. A estratégia sintética envolve um peculiar primeiro passo, uma reacção de aminação redutiva, no qual se obtém uma ftalocianina funcionalizada com glicina, seguida da habitual reacção de cicloadição 1,3- dipolar. Na terceira parte, abordam-se sistemas dador-aceitador de díades porfirinaftalocianina, como modelos promissores para mimetizar sistemas fotossintéticos naturais. Diferentes tipos de díades porfirina-ftalocianina, ligadas através do grupo fenilo da posição meso ou da posição β-pirrólica da porfirina, são sintetizadas e caracterizadas. As abordagens sintéticas envolvem reacções de aminação catalisadas por paládio e reacções de condensação cruzada de dois ftalonitrilos adequadamente substituídos. Também se descrevem processos de transferência de energia e electrónica fotoinduzidos que se formam a partir das díades porfirina-ftalocianina.

Diamond microelectrodes for corrosion studies

Este trabalho teve como objetivos a produção, caracterização e aplicação de microelétrodos (MEs) de diamante como sensores amperométricos e potenciométricos em sistemas de corrosão nos quais a agressividade do meio e a presença de produtos de corrosão, constituem obstáculos que podem diminuir o desempenho, ou inviabilizar a utilização, de outros tipos de sensores. Os microeléctrodos são baseados em filmes finos de diamante dopado com boro (BDD – Boron Doped Diamond) depositados sobre fios de tungsténio afiados, através do método de deposição química a partir da fase vapor, assistida por filamento quente (HFCVD – Hot Filament Chemical Vapor Deposition). A otimização das diversas etapas de fabricação dos MEs deu origem ao desenvolvimento de um novo sistema de afiamento eletroquímico para obtenção destes fios e a várias opções para a obtenção dos filmes de diamante condutor e seu isolamento com resinas para exposição apenas da ponta cilíndrica. A qualidade cristalina dos filmes de diamante foi avaliada por espectroscopia de Raman. Esta informação foi complementada com uma caracterização microestrutural dos filmes de diamante por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), em que se fez a identificação da tipologia dos cristais como pertencendo às gamas de diamante nanocristalino ou microcristalino. Os filmes de BDD foram utilizados na sua forma não modificada, com terminações em hidrogénio e também com modificação da superfície através de tratamentos de plasma RF de CF4 e O2 indutores de terminações C-F no primeiro caso e de grupos C=O, C-O-C e C-OH no segundo, tal como determinado por XPS. A caracterização eletroquímica dos MEs não modificados revelou uma resposta voltamétrica com elevada razão sinal/ruído e baixa corrente capacitiva, numa gama de polarização quasi-ideal com extensão de 3 V a 4 V, dependente dos parâmetros de crescimento e pós-tratamentos de superfície. Estudou-se a reversibilidade de algumas reações heterogéneas com os pares redox Fe(CN)6 3-/4- e FcOH0/+ e verificou-se que a constante cinética, k0, é mais elevada em elétrodos com terminações em hidrogénio, nos quais não se procedeu a qualquer modificação da superfície. Estes MEs não modificados foram também testados na deteção de Zn2+ onde se observou, por voltametria cíclica, que a detecção da redução deste ião é linear numa escala log-log na gama de 10-5-10-2 M em 5 mM NaCl. Realizaram-se também estudos em sistemas de corrosão modelares, em que os microeléctrodos foram usados como sensores amperométricos para mapear a distribuição de oxigénio e Zn2+ sobre um par galvânico Zn-Fe, com recurso a um sistema SVET (Scanning Vibrating Electrode Technique). Foi possível detetar, com resolução lateral de 100 μm, um decréscimo da concentração de O2 junto a ambos os metais e produção de catiões de zinco no ânodo. Contudo verificou-se uma significativa deposição de zinco metálico na superfície dos ME utilizados. Os MEs com superfície modificada por plasma de CF4 foram testados como sensores de oxigénio dissolvido. A calibração dos microeléctrodos foi efetuada simultaneamente por voltametria cíclica e medição óptica através de um sensor de oxigénio comercial. Determinou-se uma sensibilidade de ~0.1422 nA/μM, com um limite de deteção de 0.63 μM. Os MEs modificados com CF4 foram também testados como sensores amperométricos com os quais se observou sensibilidade ao oxigénio dissolvido em solução, tendo sido igualmente utilizados durante a corrosão galvânica de pares Zn-Fe. Em alguns casos foi conseguida sensibilidade ao ião Zn2+ sem que o efeito da contaminação superficial com zinco metálico se fizesse sentir. Os microeléctrodos tratados em plasma de CF4 permitem uma boa deteção da distribuição de oxigénio, exibindo uma resposta mais rápida que os não tratados além de maior estabilidade de medição e durabilidade. Nos MEs em que a superfície foi modificada com plasma de O2 foi possível detetar, por cronopotenciometria a corrente nula, uma sensibilidade ao pH de ~51 mV/pH numa gama de pH 2 a pH 12. Este comportamento foi associado à contribuição determinante de grupos C-O e C=O, observados por XPS com uma razão O/C de 0,16. Estes MEs foram igualmente testados durante a corrosão galvânica do par Zn-Fe onde foi possível mapear a distribuição de pH associada ao desenvolvimento de regiões alcalinas causadas pela redução do oxigénio, acima da região catódica, e de regiões ácidas decorrentes da dissolução anódica do ânodo de zinco. Com o par galvânico imerso em 50 mM NaCl registou-se uma variação de pH aproximadamente entre 4,8 acima do ânodo de zinco a 9,3 sobre o cátodo de ferro. A utilização pioneira destes MEs como sensores de pH é uma alternativa promissora aos elétrodos baseados em membranas seletivas.

Modulation of calcitonin amyloid formation by anionic lipid membranes

Tese de mestrado em Bioquímica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014

Biosensor based on multi-walled carbon nanotubes paste electrode modified with laccase for pirimicarb pesticide quantification

This study focused on the development of a sensitive enzymatic biosensor for the determination of pirimicarb pesticide based on the immobilization of laccase on composite carbon paste electrodes. Multi- walled carbon nanotubes(MWCNTs)paste electrode modified by dispersion of laccase(3%,w/w) within the optimum composite matrix(60:40%,w/w,MWCNTs and paraffin binder)showed the best performance, with excellent electron transfer kinetic and catalytic effects related to the redox process of the substrate4- aminophenol. No metal or anti-interference membrane was added. Based on the inhibition of laccase activity, pirimicarb can be determined in the range 9.90 ×10- 7 to 1.15 ×10- 5 molL 1 using 4- aminophenol as substrate at the optimum pH of 5.0, with acceptable repeatability and reproducibility (relative standard deviations lower than 5%).The limit of detection obtained was 1.8 × 10-7 molL 1 (0.04 mgkg 1 on a fresh weight vegetable basis).The high activity and catalytic properties of the laccase- based biosensor are retained during ca. one month. The optimized electroanalytical protocol coupled to the QuEChERS methodology were applied to tomato and lettuce samples spiked at three levels; recoveries ranging from 91.0±0.1% to 101.0 ± 0.3% were attained. No significant effects in the pirimicarb electro- analysis were observed by the presence of pro-vitamin A, vitamins B1 and C,and glucose in the vegetable extracts. The proposed biosensor- based pesticide residue methodology fulfills all requisites to be used in implementation of food safety programs.

Preparação e análise estrutural de complexos de samário

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica - Ramo de Bioprocessos