Stable Isolated Metal Atoms as Active Sites for Photocatalytic Hydrogen Evolution

The process of using solar energy to split water to produce hydrogen assisted by an inorganic semiconductor is crucial for solving our energy crisis and environmental problems in the future. However, most semiconductor photocatalysts would not exhibit excellent photocatalytic activity without loading suitable co-catalysts. Generally, the noble metals have been widely applied as co-catalysts, but always agglomerate during the loading process or photocatalytic reaction. Therefore, the utilization efficiency of the noble co-catalysts is still very low on a per metal atom basis if no obvious size effect exists, because heterogeneous catalytic reactions occur on the surface active atoms. Here, for the first time, we have synthesized isolated metal atoms (Pt, Pd, Rh, or Ru) stably by anchoring on TiO2, a model photocatalystic system, by a facile one-step method. The isolated metal atom based photocatalysts show excellent stability for H-2 evolution and can lead to a 6-13-fold increase in photocatalytic activity over the metal clusters loaded on TiO2 by the traditional method. Furthermore, the configurations of isolated atoms as well as the originality of their unusual stability were analyzed by a collaborative work from both experiments and theoretical calculations.

Unidirectional suppression of hydrogen oxidation on oxidized platinum clusters

Solar-driven water splitting to produce hydrogen may be an ideal solution for global energy and environment issues. Among the various photocatalytic systems, platinum has been widely used to co-catalyse the reduction of protons in water for hydrogen evolution. However, the undesirable hydrogen oxidation reaction can also be readily catalysed by metallic platinum, which limits the solar energy conversion efficiency in artificial photosynthesis. Here we report that the unidirectional suppression of hydrogen oxidation in photocatalytic water splitting can be fulfilled by controlling the valence state of platinum; this platinum-based cocatalyst in a higher oxidation state can act as an efficient hydrogen evolution site while suppressing the undesirable hydrogen back-oxidation. The findings in this work may pave the way for developing other high-efficientcy platinum-based catalysts for photocatalysis, photoelectrochemistry, fuel cells and water-gas shift reactions.

Rapid, simple method for determining the porosity of mesoporous TiO2 films using a quartz crystal microbalance (QCM)

Two different mesoporous films of TiO2 were coated onto a QCM disc and fired at 450o C for 30 min. The first film was derived from a sol-gel paste that was popular in the early days of dye-sensitised solar cell, i.e. dssc, research, a TiO2(sg) film. The other was a commercial colloidal paste used to make examples of the current dssc cell; a TiO2(ds) film. A QCM was used to determine the mass of the TiO2 film deposited on each disc and the increase in the mass of the film when immersed in water/glycerol solutions with wt% values spanning the range 0-70%. The results of this work reveal that with both TiO2 mesoporous films the solution fills the film's pores and acts as a rigid mass, thereby allowing the porosity of each film to be calculated as: 59.1% and 71.6% for the TiO2(sg) and TiO2(ds) films, respectively. These results, coupled with surface area data, allowed the pore radii of the two films to be calculated as: 9.6 and 17.8 nm, respectively. This method is then simplified further, to just a few frequency measurements in water and only air to reveal the same porosity values. The value of the latter ‘one point’ method for making porosity measurements is discussed briefly.

Orange Zinc Germanate with Metallic Ge-Ge Bonds as a Chromophore-Like Center for Visible-Light-Driven Water Splitting

The efficiency of solar-energy-conversion devices depends on the absorption region and intensity of the photon collectors. Organic chromophores, which have been widely stabilized on inorganic semiconductors for light trapping, are limited by the interface between the chromophore and semiconductor. Herein we report a novel orange zinc germanate (Zn-Ge-O) with a chromophore-like structure, by which the absorption region can be dramatically expanded. Structural characterizations and theoretical calculations together reveal that the origin of visible-light response can be attributed to the unusual metallic Ge-Ge bonds which act in a similar way to organic chromophores. Benefiting from the enhanced light harvest, the orange Zn-Ge-O demonstrates superior capacity for solar-driven hydrogen production.

Shape stabilised phase change materials based on a high melt viscosity HDPE and paraffin waxes

Shape stabilised phase change materials (SSPCMs) based on a high density poly(ethylene)(hv-HDPE) with high (H-PW, Tm = 56–58 °C) and low (L-PW, Tm = 18–23 °C) melting point paraffin waxes were readily prepared using twin-screw extrusion. The thermo-physical properties of these materials were assessed using a combination of techniques and their suitability for latent heat thermal energy storage (LHTES) assessed. The melt processing temperature (160 °C) of the HDPE used was well below the onset of thermal decomposition of H-PW (220 °C), but above that for L-PW (130 °C), although the decomposition process extended over a range of 120 °C and the residence time of L-PW in the extruder was <30 s. The SSPCMs prepared had latent heats up to 89 J/g and the enthalpy values for H-PW in the respective blends decreased with increasing H-PW loading, as a consequence of co-crystallisation of H-PW and hv-HDPE. Static and dynamic mechanical analysis confirmed both waxes have a plasticisation effect on this HDPE. Irrespective of the mode of deformation (tension, flexural, compression) modulus and stress decreased with increased wax loading in the blend, but the H-PW blends were mechanically superior to those with L-PW.

Conception d’un nouveau type de concentrateur solaire réduisant le besoin de suivi du soleil

Depuis longtemps, le Soleil est vu comme une source renouvelable d’intérêt pour combler nos besoins en énergie. Or, le coût prohibitif de l’énergie solaire a jusqu’à maintenant rendu celle-ci peu utilisée. Pour accroître son adoption, il faut absolument rendre son coût concurrentiel avec celui des énergies fossiles. Pour cela, plusieurs possibilités existent. L’une d’elles est l’utilisation d’un système optique pour concentrer la lumière. Cette thèse présente donc une solution basée sur la conception d’un nouveau type de concentrateur solaire de basse-moyenne concentration fait de polymère dans le but de réduire son coût de fabrication. Les performances de ce système compact utilisant des microlentilles ont ensuite été améliorées par l’ajout d’un gradient d’indice de réfraction dans la matrice polymérique. Une analyse sommaire du coût de l’énergie produite par de tels dispositifs permet ensuite de conclure que les systèmes développés dans le cadre de ce projet de recherche ont un potentiel commercial. Pour cette raison, le concept le plus prometteur basé sur l’utilisation d’un gradient d’indice afin d’accroître les performances a fait état du dépôt d’une demande de brevet.

Efeito do sombreamento nos painéis fotovoltaicos

Trabalho Final para obtenção do grau Mestre em Engenharia Electrotécnica

Análise do produtor-consumidor enquanto interveniente da rede elétrica inteligente

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Modelamento e simulação de um sistema inversor trifásico para injeção de energia na rede de distribuição a partir de fontes renováveis do tipo FV

Este trabalho baseia se na necessidade de aumentar as fontes renováveis de energia, reduzindo assim a dependência de fontes não renováveis, principalmente as poluentes como as de provenientes de combustíveis fosseis. A fonte de energia renovável explorada neste trabalho é a advinda de energia solar, com a utilização de painéis solares e métodos de extração para converter esta energia em energia elétrica e assim poder utilizar esta energia de forma eficiente. A energia produzida por painéis fotovoltaicos se apresenta em forma de corrente continua, tendo assim a necessidade do uso de conversores CC-CA, ou ditos inversores de tensão, para utilização da mesma, já que a maioria do equipamentos que utilizam energia elétrica são construídos em forma a serem abastecidos com energia elétrica em corrente alternada. Como este trabalho foca na injeção da energia produzida pelos painéis FV na rede de distribuição de baixa tensão, faz se necessário o uso de um PLL para garantir que o sistema inversor esteja em sincronismo com a rede de distribuição e possa garantir a entrega de energia ativa. Por fim mas não menos importante, é utilizado neste projeto técnicas de MPPT para garantir um maior aproveitamento da energia proveniente dos painéis FV, ajudando assim a melhorar a eficácia deste tipo de energia, sendo mais fiável e viável.

A time-resolved electron paramagnetic resonance spectroscopy study of paramagnetic porphyrins /

There is considerable interest in intramolecular energy transfer, especially in complexes which absorb visible light, because it is crucial to the better understanding of photoharvesting systems in photosynthetic organisms and for utilizing solar energy as well. Porphyrin dimers represent one of the best systems for the exploration of light-induced intramolecular energy transfer. Many kinds of porphyrins and porphyrin dimers have been studied over the past decade, however little attention has been paid to the influence of paramagnetic metals on the behavior of their excited states. In this thesis, Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy (EPR) is used to study such compounds. After light irradiation, porphyrins easily produce a variety of excited states, which are spin polarized and can be detected by the time-resolved (TR) EPR technique. The spin polarized results for vanadyl porphyrins, their electrostatically-coupled dimers, a covalently-linked copper porphyrin-free base porphyrin dimer, and free base porphyrins are presented in this thesis. From these results we can conclude that the spin polarization patterns of vanadyl porphyrins come primarily from the trip-quartet state generated by intersystem crossing (lSC) from the excited sing-doublet state through the trip-doublet state. The spin polarization pattern of electrostatically-coupled vanadyl porphyrin-free base porphyrin dimer is produced by the triplet state of the free base porphyrin half which is coupled to the unpaired electron on the vanadyl ion.

Développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications dans le domaine de la conversion d’énergie solaire

Dans un contexte où l’approvisionnement énergétique mondial du 21e siècle est un enjeu majeur, le développement de sources d’énergie renouvelables suscite l’attention croissante de la communauté scientifique et industrielle. L’énergie solaire est définitivement l’une des meilleures alternatives aux combustibles fossiles en tant que source d’énergie du monde de demain. Ce mémoire traite donc du développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications de photorécoltage d’énergie en photovoltaïque et en production d’hydrogène. Le premier chapitre présente la synthèse assistée par microondes de quatre nouveaux complexes de Co(II), Ni(II), Cu(II) et Zn(II) basés sur le ligand tétra-p-méthoxyphényl-azadipyrrométhène (ADPM) avec des rendements variant de 89% à quantitatif. Ces complexes sont mis en relation avec d’autres complexes homoleptiques connus portant le tétraphényl-ADPM comme ligand ainsi qu’avec leurs chélates de BF2+ pour une meilleure compréhension des tendances engendrées par la substitution de l’agent coordonnant et/ou des substituants p-méthoxy. Pour ce faire, le comportement électrochimique et photophysique est présenté. De façon générale, la présence des quatre groupements p-méthoxy semble rendre les dérivés de cet ADPM plus susceptibles à la dégradation électrochimique en conditions d’oxydation et induire un déplacement bathochromique des propriétés optiques d’absorption et d’émission. Les structures rayons X du ligand tétra-p-méthoxyphényl-ADPM et de son complexe homoleptique de Co(II) sont aussi discutées. Cette étude a été effectuée dans l’espoir de fournir des informations utiles sur la stabilité des ADPM aux chercheurs du domaine photovoltaïque en quête de nouveaux chromophores dans le proche infrarouge (NIR). Le deuxième chapitre présente quant à lui les propriétés de senseur envers les anions F-, OAc- et H2PO4- de deux nouveaux complexes neutres de Re(I) de type mono- et dinucléaire basés sur une phénanthroline substituée en position 5 contenant un récepteur thio-urée. Ces composés ont été obtenus dans des rendements de 81% et 60%, respectivement. L’effet de la formation de ponts hydrogène lors de l’ajout d’anions versus la déprotonation du récepteur a été évalué par des titrations UV/Vis et RMN 1H et semble indiquer que la formation de la base conjuguée du récepteur est favorisée pour ce type de système. De plus, la structure rayons X d’un des précurseurs est présentée et permet une discussion sur la chiralité des complexes mono- et dinucléaire obtenus. L’obtention d’un complexe bimétallique par autoassemblage ouvre la voie à la préparation d’antennes moléculaires pour des systèmes de photosynthèse artificielle.

Vers des assemblages de complexes métalliques oligonucléaires, servant d’antenne solaire au niveau moléculaire

Les fichiers additionnels sont les données cristallographiques en format CIF. Voir le site de la Cambridge Crystallographic Data Centre pour un visualiseur: http://www.ccdc.cam.ac.uk

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