On-line FTIR spectroscopic investigations of methanol oxidation in a direct methanol fuel cell

A real-time Fourier transform infrared spectroscopy (FTIRS) analysis of the products of methanol oxidation in a prototype direct-methanol fuel cell operating at high temperatures (150 to 185°C) is reported here. The methanol oxidation products on platinum black and platinum-ruthenium catalyst surfaces were determined as a function of the fuel cell operating temperature, current density, and methanol/water mole ratio. Neither formaldehyde nor formic acid was detected in anode exhaust gas at all cell operating conditions. The product distributions of methanol oxidation obtained by on-line FTIRS are consistent with our previous results obtained by on-line mass spectroscopy under similar conditions. With pure methanol in anode feed, methanaldimethylacetal was found to be the main product, methyl formate and CO were also found. However, when water was present in the anode feed, the main product was CO , and the formation of methanaldimethylacetal and methyl formate decreased significantly with increase of the water/methanol mole ratio. Increase of cell operating temperature enhanced the formation of CO and decreased the formation of methanaldimethylacetal and methyl formate. Pt/Ru catalyst is more active for methanol oxidation and has a higher selectivity toward CO formation than Pt-black. Nearly complete methanol oxidation, i.e., the product was almost exclusively CO , was achieved using a Pt/Ru catalyst and a water/methanol mole ratio of 2 or higher in the anode feed at a temperature of 185°C or above.

Physicochemical Investigation of Adiponitrile-Based Electrolytes for Electrical Double Layer Capacitor

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.

An alternative methodology in Schottky diode physics

The fabrication and electrical characterization of Schottky junction diodes have been extensively researched for three-quarters of a century since the original work of Schottky in 1938. This study breaks from the highly standardized regime of such research and provides an alternative methodology that prompts novel, more efficient applications of the adroit Schottky junction in areas such as chemical and thermal sensing. The core departure from standard Schottky diode configuration is that the metal electrode is of comparable or higher resistance than the underlying semiconductor. Further, complete electrical characterization is accomplished through recording four-probe resistance-temperature (R-D-T) characteristics of the device, where electrical sourcing and sensing is done only via the metal electrode and not directly through the semiconductor. Importantly, this results in probing a nominally unbiased junction while eliminating the need for an Ohmic contact to the semiconductor. The characteristic R-D-T plot shows two distinct regions of high (metal) and low (semiconductor) resistances at low and high temperatures, respectively, connected by a crossover region of width, DT, within which there is a large negative temperature coefficient of resistance. The R-D-T characteristic is highly sensitive to the Schottky barrier height; consequently, at a fixed temperature, R-D responds appreciably to small changes in barrier height such as that induced by absorption of a chemical species (e.g., H-2) at the interface. A theoretical model is developed to simulate the R-D-T data and applied to Pd/p-Si and Pt/p-Si Schottky diodes with a range of metal electrode resistance. The analysis gives near-perfect fits to the experimental R-D-T characteristics, yielding the junction properties as fit parameters. The modelling not only helps elucidate the underlying physics but also helps to comprehend the parameter space essential for the discussed applications. Although the primary regime of application is limited to a relatively narrow range (DT) for a given type of diode, the alternative methodology is of universal applicability to all metal-semiconductor combinations forming Schottky contacts. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

Novel Supercritical Carbon Dioxide Impregnation Technique for the Production of Amorphous Solid Drug Dispersions: A Comparison to Hot Melt Extrusion

The formulation of BCS Class II drugs as amorphous solid dispersions has been shown to provide advantages with respect to improving the aqueous solubility of these compounds. While hot melt extrusion (HME) and spray drying (SD) are among the most common methods for the production of amorphous solid dispersions (ASDs), the high temperatures often required for HME can restrict the processing of thermally labile drugs, while the use of toxic organic solvents during SD can impact on end-product toxicity. In this study, we investigated the potential of supercritical fluid impregnation (SFI) using carbon dioxide as an alternative process for ASD production of a model poorly water-soluble drug, indomethacin (INM). In doing so, we produced ASDs without the use of organic solvents and at temperatures considerably lower than those required for HME. Previous studies have concentrated on the characterization of ASDs produced using HME or SFI but have not considered both processes together. Dispersions were manufactured using two different polymers, Soluplus and polyvinylpyrrolidone K15 using both SFI and HME and characterized for drug morphology, homogeneity, presence of drug-polymer interactions, glass transition temperature, amorphous stability of the drug within the formulation, and nonsink drug release to measure the ability of each formulation to create a supersaturated drug solution. Fully amorphous dispersions were successfully produced at 50% w/w drug loading using HME and 30% w/w drug loading using SFI. For both polymers, formulations containing 50% w/w INM, manufactured via SFI, contained the drug in the γ-crystalline form. Interestingly, there were lower levels of crystallinity in PVP dispersions relative to SOL. FTIR was used to probe for the presence of drug-polymer interactions within both polymer systems. For PVP systems, the nature of these interactions depended upon processing method; however, for Soluplus formulations this was not the case. The area under the dissolution curve (AUC) was used as a measure of the time during which a supersaturated concentration could be maintained, and for all systems, SFI formulations performed better than similar HME formulations.

Facile Synthesis of Anatase TiO2 Quantum-Dot/Graphene-Nanosheet Composites with Enhanced Electrochemical Performance for Lithium-Ion Batteries

A facile method to synthesize well-dispersed TiO₂ quantum dots on graphene nanosheets (TiO₂-QDs/GNs) in a water-in-oil (W/O) emulsion system is reported. The TiO₂/graphene composites display high performance as an anode material for lithium-ion batteries (LIBs), such as having high reversible lithium storage capacity, high Coulombic efficiency, excellent cycling stability, and high rate capability. The excellent electrochemical performance and special structure of the composites thus offer a way to prepare novel graphene-based electrode materials for high-energy-density and high-power LIBs. 

Investigation of thermal resistance and bridging in examples of contemporary and vernacular solid wall architecture

Contemporary architecture has tended to increase envelope insulation levels in an unceasing effort to reduce U-values. Traditional masonry architecture in contrast was devoid of insulation, except for the inherent insulative nature of vernacular materials. Also the consistency of the outer membrane of the building skin diminished any impact due to bridging. In contemporary highly insulated walls bridges are numerous due to the necessity to bind inner and outer structural skins through insulation layers. This paper examines thermal bridging in an example of contemporary façade design and compares it with an example of traditional vernacular architecture currently being researched which is characterized by a lack of bridging elements. Focus is given to heavy weight materials of high thermal mass, which appropriately for passive architecture help moderate fluctuations in internal temperature. In an extensive experimental study samples of highly insulated precast concrete sandwich panels and lime rendered masonry walls are tested in a guarded hot-box. The building construction methods are compared for static and dynamic thermal transmittance, via heat flux and surface temperature differential measurements. Focus is given to the differential heat loss due to the thermal bridging in the sandwich panels and its associated impact on overall heat loss relative to traditional masonry construction.

Transit Observations of the Hot Jupiter HD 189733b at X-Ray Wavelengths

We present new X-ray observations obtained with Chandra ACIS-S of the HD 189733 system, consisting of a K-type star orbited by a transiting Hot Jupiter and an M-type stellar companion. We report a detection of the planetary transit in soft X-rays with a significantly deeper transit depth than observed in the optical. The X-ray data favor a transit depth of 6%-8%, versus a broadband optical transit depth of 2.41%. While we are able to exclude several possible stellar origins for this deep transit, additional observations will be necessary to fully exclude the possibility that coronal inhomogeneities influence the result. From the available data, we interpret the deep X-ray transit to be caused by a thin outer planetary atmosphere which is transparent at optical wavelengths, but dense enough to be opaque to X-rays. The X-ray radius appears to be larger than the radius observed at far-UV wavelengths, most likely due to high temperatures in the outer atmosphere at which hydrogen is mostly ionized. We furthermore detect the stellar companion HD 189733B in X-rays for the first time with an X-ray luminosity of log LX = 26.67 erg s-1. We show that the magnetic activity level of the companion is at odds with the activity level observed for the planet-hosting primary. The discrepancy may be caused by tidal interaction between the Hot Jupiter and its host star.

50,000-years of vegetation and climate change in the southern Namib Desert, Pella, South Africa

This paper presents the first continuous pollen record from the southern Namib Desert spanning the last 50,000 years. Obtained from rock hyrax middens found near the town of Pella, South Africa, these data are used to reconstruct vegetation change and quantitative estimates of temperature and aridity. Results indicate that the last glacial period was characterised by increased water availability at the site relative to the Holocene. Changes in temperature and potential evapotranspiration appear to have played a significant role in determining the hydrologic balance. The record can be considered in two sections: 1) the last glacial period, when low temperatures favoured the development of more mesic Nama-Karoo vegetation at the site, with periods of increased humidity concurrent with increased coastal upwelling, both responding to lower global/regional temperatures; and 2) the Holocene, during which time high temperatures and potential evapotranspiration resulted in increased aridity and an expansion of the Desert Biome. During this latter
period, increases in upwelling intensity created drier conditions at the site.
Considered in the context of discussions of forcing mechanisms of regional climate change and environmental dynamics, the results from Pella stand in clear contrast with many inferences of terrestrial environmental change derived from regional marine records. Observations of a strong precessional signal and interpretations of increased humidity during phases of high local summer insolation in the marine records are not consistent with the data from Pella. Similarly, while high percentages of Restionaceae pollen has been observed in marine sediments during the last glacial period, they do not exceed 1% of the assemblage from Pella, indicating that no significant expansion of the Fynbos Biome has occurred during the last 50,000 years. These findings pose interesting questions regarding the nature of environmental change in southwestern Africa, and the significance of the diverse records that have been obtained from the region.

Extração e estrutura dos polissacarídeos do resíduo do café com atividade imunoestimuladora

As galactomananas das infusões de café apresentam atividade imunoestimuladora in vitro, sendo esta atividade semelhante à das mananas acetiladas extraídas de Aloe vera. As galactomananas presentes no resíduo de café também possuem atividade imunoestimuladora in vitro quando são parcialmente acetiladas. Como as galactomananas são o componente maioritário do resíduo de café e como o café é um produto de largo consumo a nível mundial, o reaproveitamento deste resíduo como fonte de galactomananas com atividade imunoestimuladora deve ser considerado. Esta dissertação procura dar resposta a duas questões: 1. Quais são as estruturas das galactomananas responsáveis pela atividade imunoestimuladora destes polissacarídeos; e 2. Como é que as galactomananas podem ser extraídas quantitativamente do resíduo de café de modo a serem solúveis em água à temperatura ambiente e, assim, poderem ser utilizadas como ingredientes alimentares com atividade imunoestimuladora. A questão 1 foi respondida pela caracterização estrutural de quatro galactomananas, de três origens: a) as galactomananas das infusões de café e do resíduo que apresentaram atividade imunoestimuladora; b) a galactomanana da goma de alfarroba (LBG), que não apresentou atividade imunoestimuladora; e c) a manana acetilada de Aloe vera, que apresentou atividade imunoestimuladora. Estes polissacarídeos foram submetidos à análise de açúcares e de ligações glicosídicas e a hidrólise por endo-β-D- (1→4)-mananase. Os fragmentos de oligossacarídeos mais pequenos foram ainda analisados por espetrometria de massa por ionização de electrospray e espetrometria de massa tandem. As galactomananas das infusões de café, do resíduo de café e do Aloe vera apresentaram grau de ramificação e peso molecular semelhantes, enquanto as galactomananas da LBG apresentaram grau de ramificação e de polimerização maiores. Todas as galactomananas apresentaram resíduos de arabinose como ramificação. O grau de acetilação das galactomananas da LBG foi vestigial enquanto as galactomananas do Aloe vera apresentaram um grau de acetilação de 2,08; para as galactomananas do resíduo de café o grau de acetilação foi de 0,98 e para as infusões foi de 0,08. A localização dos grupos acetilo foi irregular em todos os polímeros. Os resultados obtidos permitem inferir que baixos níveis de ramificação, cadeias pequenas e alguma acetilação parecem promover a atividade imunoestimuladora atribuída às galactomananas. Para responder à questão 2, foi testada uma metodologia que envolveu a torra do resíduo de café a 160 ºC e a 220 ºC e a sua extração com água quente e com soluções de 4 M NaOH à temperatura de 20, 60 e 120 ºC. A torra do resíduo a 160 ºC e a extração sequencial permitiu extrair 56% das galactomananas presentes no resíduo de café e, simultaneamente, 54% das arabinogalactanas. As galactomananas mantiveram a sua estrutura caraterística de polissacarídeo acetilado composto por uma cadeira principal de resíduos de manose em ligação β-(1→4) e resíduos de Gal e Ara nas cadeias laterais. A 220 ºC, as galactomananas foram parcialmente degradadas e o rendimento de extração foi muito menor do que a 160 ºC. No entanto, mesmo a esta temperatura as galactomananas apresentaram resíduos acetilados e a presença de pentoses nas cadeias laterais, o que permite inferir a elevada resistência destes polissacarídeos à temperatura e aos reagentes alcalinos. De forma a melhor compreender a estabilidade térmica das galactomananas do resíduo de café e a influência que a presença de arabinogalactanas pode ter na sua estabilidade, foi feita uma análise termogravimétrica aos polissacarídeos extraídos do resíduo de café assim como a polissacarídeos relacionados estruturalmente com estes, como a celulose, a galactomanana de LBG e a goma arábica, uma arabinogalactana. As galactomananas são termicamente estáveis durante 3 h a 200 ºC, enquanto as arabinogalactanas são estáveis a 180 ºC. De acordo com os perfis dos termogramas obtidos, e pelo cálculo das energias de ativação da degradação térmica, o resíduo de café apresenta uma estabilidade térmica menor do que a galactomanana, possivelmente devido à presença de arabinogalactanas. Apesar de não se ter verificado alterações no termograma da galactomanana do café submetida a um tratamento térmico de 200 ºC durante 3 h, verificam-se alterações estruturais que envolvem a formação de novas ligações glicosídicas, nomeadamente, a formação de resíduos de manose ligados em O-2 e em O-6, reações de transglicosilação, despolimerização, formação de resíduos de anidro-hexoses no terminal redutor e isomerização manose-glucose. Estas alterações promovem a solubilização das galactomananas. Os resultados obtidos permitem propor que o resíduo de café possa ser submetido a uma torra seguida de extração com reagentes alcalinos a quente para obtenção das galactomananas com rendimentos elevados. Estes polissacarídeos podem tornar-se solúveis em água após tratamento térmico a 200 ºC, permitindo assim a sua utilização em formulações alimentares, nomeadamente, por preparação de compostos acetilados com baixos níveis de ramificação e cadeias pequenas de modo a promover a sua atividade imunoestimuladora.

Dinâmicas de MOODLiz@ção num agrupamento de escolas de Matosinhos: o caso do agrupamento vertical de escolas de Leça da Palmeira/Santa Cruz do Bispo

O advento da Internet e da Web, na década de 1990, a par da introdução e desenvolvimento das novas TIC e, por consequência, a emergência da Sociedade da Informação e do Conhecimento, implicaram uma profunda alteração na forma de análise dos processos de ensino-aprendizagem, já não apenas segundo um prisma cognitivista, mas, agora, também social, isto é, segundo a(s) perspetiva(s) construtivista(s). Simultaneamente, torna-se imperativo que, para que possam transformar-se em futuros trabalhadores de sucesso, isto é, trabalhadores de conhecimento (Gates, 1999), os sujeitos aprendentes passem a ser efetivamente educados/preparados para a Sociedade da Informação e do Conhecimento e, tanto quanto possível, através da educação/formação ao longo da vida (Moore e Thompson, 1997; Chute, Thompson e Hancock, 1999). Todavia, de acordo com Jorge Reis Lima e Zélia Capitão, não se deve considerar esta mudança de paradigma como uma revolução mas, antes, uma evolução, ou, mais concretamente ainda, uma “conciliação de perspectivas cognitivas e sociais” (Reis Lima e Capitão, 2003:53). Assim, às instituições de ensino/formação cumprirá a tarefa de preparar os alunos para as novas competências da era digital, promovendo “a aprendizagem dos pilares do conhecimento que sustentarão a sua aprendizagem ao longo da vida” (Reis Lima e Capitão, Ibidem:54), isto é, “aprender a conhecer”, “aprender a fazer”, “aprender a viver em comum”, e “aprender a ser” (Equipa de Missão para a Sociedade da Informação, 1997:39; negritos e sublinhados no original). Para outros, a Internet, ao afirmar-se como uma tecnologia ubíqua, cada vez mais acessível, e de elevado potencial, “vem revolucionando a gestão da informação, o funcionamento do mercado de capitais, as cadeias e redes de valor, o comércio mundial, a relação entre governos e cidadãos, os modos de trabalhar e de comunicar, o entretenimento, o contacto intercultural, os estilos de vida, as noções de tempo e de distância. A grande interrogação actual reside em saber se a Internet poderá também provocar alterações fundamentais nos modos de aprender e de ensinar” (Carneiro, 2002:17-18; destaques no original). Trata-se, portanto, como argumenta Armando Rocha Trindade (2004:10), de reconhecer que “Os requisitos obrigatórios para a eficácia da aprendizagem a ser assim assegurada são: a prévia disponibilidade de materiais educativos ou de formação de alta qualidade pedagógica e didáctica, tanto quanto possível auto-suficientes em termos de conteúdos teóricos e aplicados, bem como a previsão de mecanismos capazes de assegurar, permanentemente, um mínimo de interactividade entre docentes e aprendentes, sempre que quaisquer dificuldades destes possam manifestarse”. Esta questão é também equacionada pelo Eng.º Arnaldo Santos, da PT Inovação, quando considera que, à semelhança da “maioria dos países, a formação a distância em ambientes Internet e Intranet, vulgo e-Learning, apresenta-se como uma alternativa pedagógica em franca expansão. Portugal está a despertar para esta nova realidade. São várias as instituições nacionais do sector público e privado que utilizam o e-Learning como ferramenta ou meio para formar as suas pessoas” (Santos, 2002:26). Fernando Ramos acrescenta também que os sistemas de educação/formação que contemplam componentes não presenciais, “isto é que potenciam a flexibilidade espacial, têm vindo a recorrer às mais variadas tecnologias de comunicação para permitir a interacção entre os intervenientes, nomeadamente entre os professores e os estudantes. Um pouco por todo o mundo, e também em Portugal, se têm implantado sistemas (habitualmente designados como sistemas de ensino a distância), recorrendo às mais diversas tecnologias de telecomunicações, de que os sistemas de educação através de televisão ou os sistemas de tutoria por rádio ou telefone são exemplos bem conhecidos” (Ramos, 2002b:138-139). Ora, o nosso estudo entronca precisamente na análise de um sistema ou plataforma tecnológica de gestão de aprendizagens (Learning Management System - LMS), o MOODLE, procurando-se, deste modo, dar resposta ao reconhecimento de que “urge investigar sobre a utilização real e pedagógica da plataforma” (Carvalho, 2007:27). Por outro lado, não descurando o rol de interrogações de outros investigadores em torno da utilização do MOODLE, nem enveredando pelas visões mais céticas que inclusive pressagiam a sua “morte” (Fernandes, 2008b:134), também nós nos questionamos se esta ferramenta nem sequer vai conseguir transpor “a fase de final de entusiasmo, e tornar-se uma ferramenta de minorias e de usos ocasionais?” (Fernandes, Op. cit.:133).

Soil function and biodiversity: regional variations and climate changes

Embora o objetivo principal da proteção internacional dos solos seja proteger tanto as funções quanto a estrutura do solo, a atual abordagem trata principalmente da proteção ao nível estrutural. Há uma carência de estudos que contemplem a ligação das funções do solo com os níveis da comunidade. Além disso, é ainda desconhecido se as variáveis ambientais (ex: tipos de solo, condições climáticas) atuam nas funções do solo da mesma maneira que influenciam sua estrutura biológica. Ademais, as alterações climáticas poderão ter sozinhas ou combinadas com os poluentes, um grande efeito nos ecossistemas terrestres. O presente trabalho propõe estudar as funções e a estrutura biológica do solo quando impactados devido a estresse tóxico (poluição por Cu) e/ou alterações a fatores como a temperatura e abundância de organismos, de maneira a simular possíveis variações regionais ou climáticas. Para alcançar os objetivos principais 3 experiências utilizando diferentes densidades de E. crypticus e 2 gerações foram feitas (Capítulos II e III). Duas experiências com mesocosmos (SMS) decorreram durante 3 meses sob uma gama de diversas temperaturas (10 – 29°C), que representam temperaturas médias para Portugal e Dinamarca (Capítulos IV e V). Duas experiências de campo também foram realizadas com intuito de validar os SMSs (Capítulo VI). Resultados demonstraram que os efeitos do Cu na reprodução dos enquitraídeos dependem da densidade inicial de organismos, especialmente na 2ª geração. Entretanto, nos SMSs expostos a Cu, a densidade inicial é menos importante nos resultados finais. O aumento da temperatura alterou majoritariamente a fase inicial de crescimento populacional. Em períodos mais longos, a abundância estabilizou tornando-se menos influenciada pelas temperaturas. Períodos longos de exposição reforçaram os efeitos da temperatura, como por ex: diversas espécies foram similarmente afetadas a 29 ou 26°C quando expostas durante 28 ou 61 dias respectivamente. De forma geral, o Cu reduziu a abundância da maioria das espécies ao longo do tempo, com poucas exceções. Os resultados da decomposição da matéria orgânica (MO) e atividade alimentar associaram-se com a abundância de organismos em baixas temperaturas (10-23°C). Entretanto, com o aumento das temperaturas (19-29°C), este comportamento não foi claro e a abundância de espécies e atividade alimentar diminuíram enquanto a decomposição da MO aumentou. Além disso, os resultados observados nos SMSs foram confirmados no campo. Mais especificamente, alterações ocorreram na fase de crescimento (correspondente à Primavera) e a exposição ao Cu diminuiu os efeitos da temperatura. Metodologias mais complexas (ex: mais gerações e experiências com múltiplas espécies) apresentam muitos benefícios, mas também proporcionam respostas mais complexas, as quais exigem um maior “peso” de evidências para serem comprovadas.

Distribuição por tamanhos do aerosol atmosférico na Península Ibérica

Um dos principais fatores que afetam negativamente a qualidade do ambiente em muitas cidades em todo o mundo é o material particulado (PM). A sua presença na atmosfera pode ter impactos negativos na saúde humana, clima, património edificado e ecossistemas. Muitos dos estudos realizados em áreas urbanas focam apenas as frações respiráveis (PM10 e PM2,5). No entanto, os processos de formação, a identificação das fontes emissoras e os efeitos dependem muito da distribuição granulométrica das partículas. A atenção tem recaído na análise de hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs), devida à sua carcinogenicidade e a informação disponível sobre outros compostos é escassa. O presente estudo consistiu na obtenção do PM distribuído por diferentes frações de tamanho e na análise detalhada da sua composição química, em dois locais urbanos da Península Ibérica (Madrid e Lisboa). Dado que os veículos representam uma das principais fontes emissoras em ambientes urbanos, efetuou-se uma caracterização mais detalhada deste tipo de emissões, conduzindo uma campanha de amostragem num túnel rodoviário (Marquês de Pombal, Lisboa). As amostragens, em ambas as cidades, decorreram durante um mês, quer no verão quer no inverno, em dois locais urbanos distintos, um junto a uma via com influência de tráfego e outro numa área urbana de fundo. No túnel a amostragem foi realizada apenas durante uma semana. Em Madrid e no túnel, o PM foi recolhido utilizando um amostrador de elevado volume com impactor em cascata com quatro tamanhos: 10-2,5, 2,5-0,95, 0,95-0,49 e < 0,49 μm. Em Lisboa, foi utilizado um impactor em cascata com apenas dois tamanhos, 10- 2,5 e < 2,5 μm. As amostras foram quimicamente analisadas e determinadas as concentrações de compostos carbonados (OC, EC e carbonatos), iões inorgânicos solúveis em água (Cl−, NO3−, SO42−, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+),metais e compostos orgânicos. Em Madrid, as concentrações médias de PM10 foram 44 e 48% maiores nas amostras recolhidas junto à estrada do que as de fundo urbano no verão e inverno, respetivamente. A fração grosseira e o PM0,5 apresentaram concentrações mais elevadas no verão do que no inverno devido às condições climatéricas pouco usuais. No verão, as amostragens decorreram num mês em que as temperaturas foram muito elevadas e em que ocorreram vários episódios de intrusão de poeira africana. Durante o período de amostragem de inverno, as temperaturas foram muito baixas e registaram-se vários dias de precipitação quer sob a forma de chuva, quer sob a forma de neve. As situações meteorológicas sinóticas mais comuns, incluindo aquelas que causam o transporte de massas de ar com poeiras Africanas, foram identificadas em ambas as estações do ano. As concentrações mássicas de PM10, EC e OC foram encontrados predominantemente na fração de tamanho ultrafino em ambos os locais de amostragem e estações do ano. Nas restantes frações não se observou nenhuma tendência sazonal. O carbono orgânico secundário (SOC) mostrou um claro padrão sazonal, com concentrações muito mais elevadas no verão do que no inverno, em ambos os lugares. A partir do balanço mássico de iões, observou-se que, no verão, a formação de compostos inorgânicos secundários (SIC) conduziu a um enriquecimento pouco comum de Ca2+ na fração submicrométrica, quer nas amostras de tráfego, quer em fundo urbano. Os alcanos, PAHs, os álcoois e os ácidos foram as classes de compostos orgânicos identificados e quantificados no material particulado. Globalmente, representaram 0,26 e 0,11 μg m−3 no verão e inverno, respetivamente, no local de tráfego e 0,28 e 0,035 μg m−3 na área urbana de fundo. Os diferentes compostos orgânicos também apresentaram padrões sazonais, sugerindo fontes de emissão (e.g. escapes dos veículos e fontes biogénicas) ou processos de formação com contribuições variáveis ao longo do ano. As concentrações de benzoapireno equivalente foram menores que 1 ng m-3 e o risco carcinogénico estimado é baixo. No verão, os maiores enriquecimentos de metais ocorreram na fração submicrométrica, e no inverno na fração grosseira. No verão, os enriquecimentos foram ≥ 80% para o Mn, Ni, Cu, Zn, Cd, Sb e Co, no inverno, estes traçadores de emissões do tráfego foram menores, exceto para o Zn. Em Lisboa, a concentração média de PM10 foi de 48 μg m-3 no verão e de 44 μg m-3 no inverno, junto à estrada. Na área de fundo urbano, registaram-se níveis comparáveis nas duas estações (27 μg m-3 e 26 μg m-3). A média do rácio PM2,5/PM10 foi de 65% no verão e 44% no inverno na área de tráfego e 62% e 59% na área urbana de fundo. Estes resultados significam que o PM2,5 é um dos principais contaminantes que afetam a qualidade do ar no centro da cidade de Lisboa. A relação OC/EC, que reflete a composição das emissões de combustão dos veículos, variou entre 0,3 e 0,4 no interior do túnel. Os rácios de OC/EC mínimos obtidos junto às vias de tráfego em Madrid e em Lisboa encontram-se entre os do túnel e os registados em atmosferas urbanas de fundo, sugerindo que os valores mínimos habitualmente obtidos para este parâmetro em ambientes urbanos abertos sobrestimam as emissões diretas de OC pelo transporte rodoviário. Espera-se que os resultados deste trabalho contribuam para suprir, pelo menos em parte, as lacunas de informação quer sobre a composição de várias granulometrias de PM, quer sobre fontes e processos de formação em atmosferas urbanas. Como a exposição a poluentes do ar ultrapassa o controle dos indivíduos e exige ação das autoridades públicas a nível nacional, regional e até mesmo internacional, é importante propor medidas mitigadoras focadas nas principais fontes de emissão identificadas.

Metal-organic frameworks based on phosphonate linkers

During the last few decades, Metal-Organic Frameworks (MOFs), also known as Coordination Polymers, have attracted worldwide research attentions due to their incremented fascinating architectures and unique properties. These multidimensional materials have been potential applications in distinct areas: gas storage and separation, ion exchange, catalysis, magnetism, in optical sensors, among several others. The MOF research group at the University of Aveiro has prepared MOFs from the combination of phosphonate organic primary building units (PBUs) with, mainly, lanthanides. This thesis documents the last findings in this area involving the synthesis of multidimensional MOFs based on four di- or tripodal phosphonates ligands. The organic PBUs were designed and prepared by selecting and optimizing the best reaction conditions and synthetic routes. The self-assembly between phosphonate PBUs and rare-earths cations led to the formation of several 1D, 2D and 3D families of isotypical MOFs. The preparation of these materials was achieved by using distinct synthetic approaches: hydro(solvo)thermal, microwave- and ultrasound-assisted, one-pot and ionothermal synthesis. The selection of the organic PBUs showed to have an important role in the final architectures: while flexible phosphonate ligands afforded 1D, 2D and dense 3D structures, a large and rigid organic PBU isolated a porous 3D MOF. The crystal structure of these materials was successfully unveiled by powder or single-crystal X-ray diffraction. All multidimensional MOFs were characterized by standard solid-state techniques (FT-IR, electron microscopy (SEM and EDS), solid-state NMR, elemental and thermogravimetric analysis). Some MOF materials exhibited remarkable thermal stability and robustness up to ca. 400 ºC. The intrinsic properties of some MOFs were investigated. Photoluminescence studies revealed that the selected organic PBUs are suitable sensitizers of Tb3+ leading to the isolation of intense green-emitting materials. The suppression of the O−H quenchers by deuteration or dehydration processes improves substantially the photoluminescence of the optically-active Eu3+-based materials. Some MOF materials exhibited high heterogeneous catalytic activity and excellent regioselectivity in the ring-opening reaction of styrene oxide (PhEtO) with methanol (100% conversion of PhEtO at 55 ºC for 30 min). The porous MOF material was employed in gas separation processes. This compound showed the ability to separate propane over propylene. The ionexchanged form of this material (containing K+ cations into its network) exhibited higher affinity for CO2 being capable to separate acetylene over this environment non-friendly gas.

Phthalocyanines : interaction with carbon structures and as PDT agents

This dissertation describes the synthesis and characterization of different phthalocyanine (Pc) derivatives, as well as some porphyrins (Pors), for supramolecular interaction with different carbon nanostructures, to evaluate their potential application in electronic nanodevices. Likewise, it is also reported the preparation and biological evaluation of interesting phthalocyanine conjugates for cancer photodynamic therapy (PDT) and microorganisms photodynamic inactivation (PDI). The phthalonitrile precursors were prepared from commercial phthalonitriles by nucleophilic substitution of -NO2, -Cl, or -F groups, present in the phthalonitrile core, by thiol or pyridyl units. After the synthesis of these phthalonitriles, the corresponding Pcs were prepared by ciclotetramerization using a metallic salt as template at high temperatures. A second strategy involved the postfunctionalization of hexadecafluorophthalocyaninato zinc(II) through the adequate substituents of mercaptopyridine or cyclodextrin units on the macrocycle periphery. The different compounds were structurally characterized by diverse spectroscopic techniques, namely 1H, 13C and 19F nuclear magnetic resonance spectroscopies (attending the elemental composition of each structure); absorption and emission spectroscopy, and mass spectrometry. For the specific photophysical studies were also used electrochemical characterization, femtosecond and raman spectroscopy, transmission electron and atomic force microscopy. It was highlighted the noncovalent derivatisation of carbon nanostructures, mainly single wall carbon nanotubes (SWNT) and graphene nanosheets with the prepared Pc conjugates to study the photophysical properties of these supramolecular nanoassemblies. Also, from pyridyl-Pors and ruthenium phthalocyanines (RuPcs) were performed Por-RuPcs arrays via coordination chemistry. The results obtained of the novel supramolecular assemblies showed interesting electron donor-acceptor interactions and might be considered attractive candidates for nanotechnological devices. On the other hand, the amphiphilic phthalocyanine-cyclodextrin (Pc-CD) conjugates were tested in biological trials to assess their ability to inhibit UMUC- 3 human bladder cancer cells. The results obtained demonstrated that these photoactive conjugates are highly phototoxic against human bladder cancer cells and could be applied as promising PDT drugs.