Oxygen reduction reaction mechanism on nitrogen-doped graphene:A density functional theory study

Nitrogen-doped graphene (N-graphene) was reported to exhibit a good activity experimentally as an electrocatalyst of oxygen reduction reaction (ORR) on the cathode of fuel cells under the condition of electropotential of similar to 0.04 V (vs. NNE) and pH of 14. This material is promising to replace or partially replace the conventionally used Pt. In order to understand the experimental results. ORR catalyzed by N-graphene is studied using density functional theory (DFT) calculations under experimental conditions taking the solvent, surface adsorbates, and coverages into consideration. Two mechanisms, i.e., dissociative and associative mechanisms, over different N-doping configurations are investigated. The results show that N-graphene surface is covered by O with 1/6 monolayer, which is used for reactions in this work. The transition state of each elementary step was identified using four different approaches, which give rise to a similar chemistry. A full energy profile including all the reaction barriers shows that the associative mechanism is more energetically favored than the dissociative one and the removal of O species from the surface is the rate-determining step. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Acrolein hydrogenation on Pt(211) and Au(211) surfaces:a density functional theory study

Partial hydrogenation of acrolein, the simplest alpha, beta-unsaturated aldehyde, is not only a model system to understand the selectivity in heterogeneous catalysis, but also technologically an important reaction. In this work, the reaction on Pt(211) and Au(211) surfaces is thoroughly investigated using density functional theory calculations. The formation routes of three partial hydrogenation products, namely propenol, propanal and enol, on both metals are studied. It is found that the pathway to produce enol is kinetically favoured on Pt while on Au the route of forming propenol is preferred. Our calculations also show that the propanal formation follows an indirect pathway on Pt(211). An energy decomposition method to analyze the barrier is utilized to understand the selectivities at Pt(211) and Au(211), which reveals that the interaction energies between the reactants involved in the transition states play a key role in determining the selectivity difference.

Some Understanding of Fischer-Tropsch Synthesis from Density Functional Theory Calculations

The combination of density functional theory (DFT) calculations and kinetic analyses is a very useful approach to study surface reactions in heterogeneous catalysis. The present paper reviews some recent work applying this approach to Fischer-Tropsch (FT) synthesis. Emphasis is placed on the following fundamental issues in FT synthesis: (i) reactive sites for both hydrogenation and C-C coupling reactions; (ii) reaction mechanisms including carbene mechanism, CO-insertion mechanism and hydroxyl-carbene mechanism; (iii) selectivity with a focus on CH(4) selectivity, alpha-olefin selectivity and chain growth probability; and (iv) activity.

A combined transient and computational study of the dissociation of N(2)O on platinum catalysts

The energetics of the low-temperature adsorption and decomposition of nitrous oxide, N(2)O, on flat and stepped platinum surfaces were calculated using density-functional theory (DFT). The results show that the preferred adsorption site for N(2)O is an atop site, bound upright via the terminal nitrogen. The molecule is only weakly chemisorbed to the platinum surface. The decomposition barriers on flat (I 11) surfaces and stepped (211) surfaces are similar. While the barrier for N(2)O dissociation is relatively small, the surface rapidly becomes poisoned by adsorbed oxygen. These findings are supported by experimental results of pulsed N(2)O decomposition with 5% Pt/SiO(2) and bismuth-modified Pt/C catalysts. At low temperature, decomposition occurs but self-poisoning by O((ads)) prevents further decomposition. At higher temperatures some desorption Of O(2) is observed, allowing continued catalytic activity. The study with bismuth-modified Pt/C catalysts showed that, although the activation barriers calculated for both terraces and steps were similar, the actual rate was different for the two surfaces. Steps were found experimentally to be more active than terraces and this is attributed to differences in the preexponential term. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

A density functional theory study of CO and atomic oxygen chemisorption on Pt(111)

Ab initio total energy calculations within a density functional theory framework have been performed for CO and atomic oxygen chemisorbed on the Pt(111) surface. Optimised geometries and chemisorption energies for CO and O on four high-symmetry sites, namely the top, bridge, fee hollow and hcp hollow sites, are presented, the coverage in all cases being 0.25 ML. The differences in CO adsorption energies between these sites are found to be small, suggesting that the potential energy surface for CO diffusion across Pt(111) is relatively flat. The 5 sigma and 2 pi molecular orbitals of CO are found to contribute to bonding with the metal. Some mixing of the 4 sigma and 1 pi molecular orbitals with metal states is also observed. For atomic oxygen, the most stable adsorption site is found to be the fee hollow site, followed in decreasing order of stability by the hcp hollow and bridge sites, with the top site being the least stable. The differences in chemisorption energies between sites for oxygen are larger than in the case of CO, suggesting a higher barrier to diffusion for atomic oxygen. The co-adsorption of CO and O has also been investigated. Calculated chemisorption energies for CO on an O/fcc-precovered surface show that of the available chemisorption sites, the top site at the oxygen atom's next-nearest neighbour surface metal atom is the most stable, with the other four sites calculated bring at least 0.29 eV less stable. The trend of CO site stability in the coadsorption system is explained in terms of a 'bonding competition' model. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

A first principles study of CH3 dehydrogenation on Ni(111)

Density functional theory with gradient corrections and spin polarization has been used to study the dehydrogenation of CH3 on Ni(111), a crucial step in many important catalytic reactions. The reaction, CH3(ads)--> CH2(ads)+H-(ads), is about 0.5 eV endothermic with an activation energy of more than 1 eV. The overall reaction pathway is rather intriguing. The C moiety translates from a hcp to a fcc site during the course of the reaction. The transition state of the reaction has been identified. The CH3 species is highly distorted, and both C and the active H are centered nearly on top of a row of Ni atoms with a long C-H bond length of 1.80 Angstrom. The local density of states coupled with examination of the real space distribution of individual quantum states has been used to analyze the reaction pathway. (C) 2000 American Institute of Physics. [S0021-9606(00)30218-5].

A density functional theory study of CH2 and H adsorption on Ni(111)

Ab initio total energy calculations within the density functional theory framework have been used to study the adsorption of CH2 and H as well as the coadsorption of CH2 and H on Ni(111). H binds strongly at threefold hollow sites with calculated adsorption energies of 2.60 and 2.54 eV at the face-centered-cubic (fcc) and hexagonal-close-packed (hcp) hollow sites, respectively. Adsorption energies and H-Ni distances are found to agree well with both experimental and theoretical results. CH2 adsorbs strongly at all high symmetry sites with calculated adsorption energies of 3.26, 3.22, 3.14 and 2.36 eV at the fcc, hcp, bridge and top sites, respectively. Optimized structures are reported at all sites, and, in the most stable hollow sites there is considerable internal reorganization of the CH2 fragment. The CH2 molecule is tilted, the hydrogens are inequivalent and the C-H bonds are lengthened relative to the gas phase. In the CH2-H coadsorption systems the adsorbates have a tendency to move toward bridge sites. The bonding of all adsorbates to the surface is analyzed in detail. (C) 2000 American Institute of Physics. [S0021-9606(00)71213-X].

Methyl chemisorption on Ni(111) and C-H-M multicentre bonding:a density functional theory study

Density functional theory has been used to study the adsorption of CH3 on Ni(111). CH3 is found to adsorb strongly at all four high symmetry sites of the Ni(111) surface. Calculated adsorption energies of CH3 on the different sites are in the following order: hcp approximate to fcc>bridge>top. The bonding and structures of CH3 on the different sites are analysed in detail. An important factor, namely three-centre bonding between carbon, hydrogen and nickel which contributes to the 'soft' C-H vibrational frequency of CH3 on Ni(111), and may determine the preferred chemisorption site, is stressed. (C) 1999 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Olefin / Paraffin separation using Task-Specific Materials based on Ionic Liquids: Advances in Gas Processing

In this work, 1-hexene was extracted from its mixtures with n-hexane in varying ratios using a task specific ionic liquid. Herein, the ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium nitrate, [BMIM][NO3], was used and examined with and without the addition of a metal salt. The impact of water on both selectivity and distribution coefficient was also tested. Four potential metal salts were investigated, the results of which demonstrate that the dissolution of transition-metal salts in the IL improves the separation of 1-hexene from n-hexane through metal-olefin complexation. Additionally, the presence of water in IL solutions containing metal salt enhances this selectivity. Finally, UNIFAC was used to correlate the experimental LLE data with good accuracy.

A review of high magnetic moment thin films for microscale and nanotechnology applications

The creation of large magnetic fields is a necessary component in many technologies, ranging from magnetic resonance imaging, electric motors and generators, and magnetic hard disk drives in information storage. This is typically done by inserting a ferromagnetic pole piece with a large magnetisation density MS in a solenoid. In addition to large MS, it is usually required or desired that the ferromagnet is magnetically soft and has a Curie temperature well above the operating temperature of the device. A variety of ferromagnetic materials are currently in use, ranging from FeCo alloys in, for example, hard disk drives, to rare earth metals operating at cryogenic temperatures in superconducting solenoids. These latter can exceed the limit on MS for transition metal alloys given by the Slater-Pauling curve. This article reviews different materials and concepts in use or proposed for technological applications that require a large MS, with an emphasis on nanoscale material systems, such as thin and ultra-thin films. Attention is also paid to other requirements or properties, such as the Curie temperature and magnetic softness. In a final summary, we evaluate the actual applicability of the discussed materials for use as pole tips in electromagnets, in particular, in nanoscale magnetic hard disk drive read-write heads; the technological advancement of the latter has been a very strong driving force in the development of the field of nanomagnetism.

Properties of self-assembled diluted magnetic semiconductor nanostructures

Este trabalho centra-se na investigação da possibilidade de se conseguir um semicondutor magnético diluído (SMD) baseado em ZnO. Foi levado a cabo um estudo detalhado das propriedades magnéticas e estruturais de estruturas de ZnO, nomeadamente nanofios (NFs), nanocristais (NCs) e filmes finos, dopadas com metais de transição (MTs). Foram usadas várias técnicas experimentais para caracterizar estas estruturas, designadamente difracção de raios-X, microscopia electrónica de varrimento, ressonância magnética, SQUID, e medidas de transporte. Foram incorporados substitucionalmente nos sítios do Zn iões de Mn2+ e Co2+ em ambos os NFs e NCs de ZnO. Revelou-se para ambos os iões dopantes, que a incorporação é heterogénea, uma vez que parte do sinal de ressonância paramagnética electrónica (RPE) vem de iões de MTs em ambientes distorcidos ou enriquecidos com MTs. A partir das intensidades relativas dos espectros de RPE e de modificações da superfície, demonstra-se ainda que os NCs exibem uma estrutura core-shell. Os resultados, evidenciam que, com o aumento da concentração de MTs, a dimensão dos NCs diminui e aumentam as distorções da rede. Finalmente, no caso dos NCs dopados com Mn, obteve-se o resultado singular de que a espessura da shell é da ordem de 0.3 nm e de que existe uma acumulação de Mn na mesma. Com o objectivo de esclarecer o papel dos portadores de carga na medição das interacções ferromagnéticas, foram co-dopados filmes de ZnO com Mn e Al ou com Co e Al. Os filmes dopados com Mn, revelaram-se simplesmente paramagnéticos, com os iões de Mn substitucionais nos sítios do Zn. Por outro lado, os filmes dopados com Co exibem ferromagnetismo fraco não intrínseco, provavelmente devido a decomposição spinodal. Foram ainda efectuados estudos comparativos com filmes de ligas de Zn1-xFexO. Como era de esperar, detectaram-se segundas fases de espinela e de óxido de ferro nestas ligas; todas as amostras exibiam curvas de histerese a 300 K. Estes resultados suportam a hipótese de que as segundas fases são responsáveis pelo comportamento magnético observado em muitos sistemas baseados em ZnO. Não se observou nenhuma evidência de ferromagnetismo mediado por portadores de carga. As experiências mostram que a análise de RPE permite demonstrar directamente se e onde estão incorporados os iões de MTs e evidenciam a importância dos efeitos de superfície para dimensões menores que ~15 nm, para as quais se formam estruturas core-shell. As investigações realizadas no âmbito desta tese demonstram que nenhuma das amostras de ZnO estudadas exibiram propriedades de um SMD intrínseco e que, no futuro, são necessários estudos teóricos e experimentais detalhados das interacções de troca entre os iões de MTs e os átomos do ZnO para determinar a origem das propriedades magnéticas observadas.

Magnetic impurities in nanostructured materials

Os resultados apresentados aqui foram alcançados no âmbito do programa de doutoramento intitulado “Impurezas Magnéticas em Materiais Nanoestruturados”. O objectivo do estudo foi a síntese e caracterização de óxido contendo impurezas magnéticas. Durante este trabalho, sínteses de sol-gel não-aquoso têm sido desenvolvidos para a síntese de óxidos dopados com metais de transição (ZnO e ZrO2). A dopagem uniforme é particularmente importante no estudo de semicondutores magnéticos diluídos (DMSs) e o ponto principal deste estudo foi verificar o estado de oxidação e a estrutura local do dopante e para excluir a existência de uma fase secundária como a origem do ferromagnetismo. Para alargar o âmbito da investigação e explorar plenamente o conceito de "impurezas magnéticas em materiais nanoestruturados" estudamos as propriedades de nanopartículas magnéticas dispersas em uma matriz de óxido. As nanopartículas (ferrita de cobalto) foram depositadas como um filme e cobertas com um óxido metálico semicondutor ou dielétrico (ZnO, TiO2). Estes hetero-sistemas podem ser considerados como a dispersão de impurezas magnéticas em um óxido. As caracterizações exigidas por estes nanomateriais têm sido conduzidas na Universidade de Aveiro e Universidade de Montpellier, devido ao equipamento complementar.

Modified electrodes with Keggin-type polyoxotungstates

O objectivo deste trabalho é a produção de novos eléctrodos modificados com polioxotungstatos (POMs) do tipo Keggin, incluindo POMs lacunares e substituídos por metais de transição. A preparação e caracterização dos polioxotungstatos encontram-se descritas no Capítulo 2. No Capítulo 3 descreve-se a produção de eléctrodos de carbono vítreo funcionalizados com sais híbridos de tetra-n-butilamónio de vários silicotungstatos pelo método de evaporação da gota. As propriedades electroquímicas dos polioxotungstatos imobilizados foram comparadas com as das espécies solúveis correspondentes. A morfologia dos depósitos foi avaliada por microscopia óptica e por microscopia electrónica de varrimento. No capítulo 4 descreve-se a preparação de novos eléctrodos compósitos de carbono e poli(hexilmetacrilato) com fosfotungstatos. Os estudos electroquímicos revelaram que as principais características dos POMs são mantidas e que os processos de redução são controlados por difusão, dependendo da difusão dos protões da solução. O Capítulo 5 descreve a construção de filmes em multicamadas ultrafinos contendo POMs e polietilenimina, preparados pelo método de auto-montagem camada-sobre-camada em eléctrodos de carbono vítreo. Os filmes em multicamada foram caracterizados por voltametria cíclica e por microscopia electrónica de varrimento e foi usada a espectroscopia de absorção de UV-Vis em placas de quartzo para monitorar o crescimento de filme. Os resultados voltamétricos revelaram que os processos de redução dos POM são confinados à superfície. Alguns destes eléctrodos modificados revelaram propriedades electrocatalíticas relativamente à redução dos aniões nitrito, bromato e/ou iodato. A espectroscopia de impedância electroquímica também foi usada na caracterização destes filmes e os resultados revelaram que a resistência à transferência de carga aumenta com o aumento do número de bicamadas para ambas as espécies redox, indicando que a espessura do filme tem um efeito importante sobre a cinética de reacções de transferência de carga. No capítulo 6 descreve-se a síntese de filmes híbridos orgânicos/inorgânicos compostos por poli(3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) e por silicotungstatos do tipo Keggin através da polimerização electroquímica, em condições aquosas, na superfície de electrodos de carbono vítreo. A voltametria cíclica revelou que as características principais dos POMs são mantidas nos filmes. Verificou-se que estes filmes são muito estáveis, possivelmente devido a fortes interacções electrostáticas entre os POMs aniónicos e o polímero positivamente carregado. A espectroscopia de impedância electroquímica foi também utilizada e os resultados mostraram que a resistência de transferência de carga aumenta com o aumento do pH e para valores de potenciais mais elevados. O capítulo 7 apresenta as conclusões finais e possíveis trabalhos futuros.

Measurement and modeling of hyperfine properties in ferroic materials

This thesis presents the results of perturbed angular correlation (PAC) experiments , an experimental technique which measures the hyperfine interaction at probes (radioactive ions implanted in the materials to study), from which one infers local information on an atomic scale. Furthermore, abinitio calculations using density functional theory electronic obtain results that directly complement the experiments, and are also used for theoretical research. These methods were applied in two families of materials. The manganites, with the possible existence of magnetic, charge, orbital and ferroelectric orders, are of fundamental and technological interest. The experimental results are obtained in the alkaline-earth manganites (Ca, Ba, Sr), with special interest due to the structural variety of possible polymorphs. With probes of Cd and In the stability of the probe and its location in a wide temperature range is established and a comparison with calculations allows the physical interpretation of the results. Calculations of hyperfine properties in rare-earth manganites are also presented. The second type of materials in which hyperfine properties were studied are the Manganese pnictides: MnAs, MnSb, and MnBi, compounds in which magnetism is fundamental. The experimental results obtained mainly consider the MnAs compound, whose magneto-structural transition is of great interest. The transition is analyzed in detail with the local resolution characteristic of the technique, obtaining information of the character of the transition also with complementary, more conventional techniques. The last work in this thesis uses only the first principles calculations, continuing the theme of the hyperfine interactions, but this time with respect to ferroelectrics. Several transition metal oxides with perovskite or distorted structures are considered. The electric field gradient which exists due to the quadrupole interaction in nuclei is related to the spontaneous electric polarization, the main quantity measured in ferroelectrics. This study provides a fundamental theoretical basis for previous empirical studies, suggesting new directions for research in ferroelectrics and multiferroics using techniques which measure the electric field gradient.

Synthesis of new vegetable oil-based polymeric materials

A crescente procura de recursos fosseis a que se tem assistido nos ultimos anos, tem resultado num crescimento sem precedentes dos precos, com consequencias imprevisiveis e que levara, no espaco de decadas, ao seu inevitavel esgotamento. A procura de um modelo de desenvolvimento sustentavel, baseado em recursos renovaveis e o grande desafio que se coloca a civilizacao no seculo XXI. A biomassa vegetal, atraves das designadas gBio-refinarias h, e uma alternativa logica para a producao de produtos quimicos e de materiais mas tambem de combustiveis e energia. Os oleos vegetais constituem uma das fracoes da biomassa vegetal, cuja exploracao tem merecido redobrada atencao nos ultimos anos, como fonte de materiais e de combustiveis. Assim, a presente dissertacao tem por objetivo o desenvolvimento de novos materiais polimericos derivados de oleos vegetais, seguindo duas abordagens distintas, nomeadamente a preparacao de polimeros atraves de polimerizacao por etapas e polimerizacao em cadeia (Parte B e C, respetivamente). Em primeiro lugar, foram sintetizados poliesteres alifaticos de cadeia longa a partir de monomeros provenientes do oleo de colza (Capitulo III). A auto-metatese do acido erucico com catalisadores de rutenio, seguida de hidrogenacao da ligacao dupla, originou o acido 1,26-hexacosanodioico, que por sua vez foi convertido em hexacosano-1,26-diol. Subsequentemente, a policondensacao do acido ƒ¿,ƒÖ-dicarboxilico de cadeia longa com o hexacosano-1,26-diol originou o poliester 26,26. O diacido C26 foi tambem polimerizado com outros alcano-diois de cadeia curta, nomeadamente o dodecano-1,12-diol e o butano-1,2-diol, produzindo, respetivamente, os poliesteres 12,26 e 4,26. Estes poliesteres de fontes 100% renovaveis possuem valores de Mn na ordem dos 8-14 kDa e valores de PDI entre 2.1 e 2.7. As propriedades destes poliesteres alifaticos foram avaliadas atraves de varias tecnicas, revelando elevada cristalinidade (com uma estrutura cristalina como a do polietileno) e elevadas temperaturas de fusao (74-104 ‹C), cristalizacao (68-92 ‹C) e degradacao (323-386 ‹C). Em segundo lugar, foram sintetizados polimeros lineares termo-reversiveis a partir de derivados do oleo de ricinio (Capitulo IV). Para tal foram preparados monomeros que incorporam aneis furanicos inseridos atraves do acoplamento tiol-eno, e que posteriormente foram polimerizados pela reacao de Diels-Alder (DA) entre os grupos furano (dieno A) e estruturas complementares do tipo maleimida (dienofilo B). Para as polimerizacoes DA foram consideradas duas abordagens diferentes, nomeadamente (i) o uso de monomeros com dois aneis furanicos terminais em conjunto com uma bismaleimida (sistemas AA+BB) e (ii) a utilizacao de um monomero que incorpora ambos os grupos reativos, furano e maleimida, na sua estrutura (sistema AB). Este estudo demonstrou claramente que ambas as estratégias foram bem sucedidas embora com diferentes resultados em termos da natureza dos produtos obtidos. Estes polímeros lineares apresentam valores relativamente baixos de Tg (-40 to -2 °C) devido à natureza flexível dos grupos separadores das funções reativas, e de Mn (4.5-9.0 kDa) dada a observada tendência de ciclização associada a concentrações baixas de monómero. A aplicação da reação de retro-DA aos polímeros em causa confirmou o seu caráter reversível, ou seja, a possibilidade de promover, em condições controladas, a despolimerização com recuperação dos monómeros de partida. Esta particularidade abre caminhos para materiais macromoleculares originais com aplicações promissoras tais como auto-reparação e reciclabilidade. Em terceiro lugar, sintetizaram-se polímeros não-lineares termo-reversíveis a partir de derivados do óleo de ricínio (Capítulo V). Para tal foram preparados monómeros trifuncionais e posteriormente polimerizados através da reação de DA entre os grupos reativos complementares furano/maleimida. Foram consideradas três abordagens distintas para preparar estes polímeros não-lineares, nomeadamente através da utilização de (i) um monómero bisfurânico em combinação com uma trismaleimida (sistema A2+B3) e (ii) um monómero trisfurânico em conjunto com uma bismaleimida (sistema A3+B2) que originaram materiais ramificados ou reticulados, e ainda (iii) a utilização de monómeros assimetricamente substituídos do tipo A2B ou AB2 capazes de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas. Todos os sistemas apresentaram valores de Tg perto de 0 °C, o que era de esperar para estes materiais não-lineares. A aplicação da reação de retro-DA comprovou mais uma vez o caráter termo-reversível das polimerizações em causa. Em quarto lugar e último lugar, foram preparados copolímeros de acetato de vinilo (VAc) com monómeros derivados de óleo de girassol (Capítulo VI). Ésteres vinílicos de ácidos gordos (FAVE) foram sintetizados por transvinilação dos ácidos oleico e linoleico com VAc catalisada por um complexo de irídio. Os monómeros vinílicos preparados foram caracterizados e posteriormente homopolimerizados e copolimerizados com VAc através do uso dos grupos vinílicos terminais como função inicial de polimerização. A variação do tipo e quantidade de monómero FAVE e da quantidade de iniciador radicalar originou copolímeros de VAc com valores de Mn na gama de 1.2-3.0 kDa e valores de Tg de -5 a 16 °C. Os copolímeros foram avaliados em testes de cura oxidativa através das insaturações nas suas cadeias alifáticas para formar materiais reticulados, e os resultados sugerem que eles podem ser sistemas efetivos de cura para aplicações como tintas, vernizes e outros tipos de revestimento. Todos os materiais poliméricos preparados ao longo deste trabalho constituem contribuições atrativas para a área dos polímeros oriundos de recursos renováveis e representam uma prova indiscutível de que os óleos vegetais são percursores promissores de materiais macromoleculares com potenciais aplicações.