A tale of two cobalts

There are important problems to overcome if solar energy or other renewable energy sources are to be used effectively on a global scale. Solar photons must not only be harvested and converted into a usable form, but they must also be efficiently stored so that energy is available for use on cloudy days and at night. In this work, both the energy conversion and energy storage problems are addressed. Specifically, two cobalt complexes were designed and their reactivity probed for applications in energy conversion and storage. The first chapter describes a cobalt complex that is the first example of a dimeric cobalt compound with two singly proton-bridged cobaloxime units linked by a central BO4--bridge. Using electrochemical methods, the redox properties of the dimer were evaluated and it was found to be an electrocatalyst for proton reduction in acetonitrile.

Because hydrogen gas is difficult to handle and store, the hydrogenation of CO2 and later dehydrogenation of the liquid product, formic acid, has been proposed as a hydrogen storage system. Thus, a second complex, described in chapter two, supported by a triphosphine ligand framework was used as a catalyst precursor for this key dehydrogenation step. The studies here demonstrate the efficacy of the complex as a precatalyst for the desired reaction, with good conversion of starting formic acid to CO2 and H2. In order to better understand the properties of the triphosphine cobalt complex, a synthetic procedure for substituting electron donating groups (e.g., methoxy groups) onto the ligand was investigated, yielding a novel diphosphine cobalt(II) complex.

Development and Application of Embedding Methods for the Simulation of Large Chemical Systems

The high computational cost of correlated wavefunction theory (WFT) calculations has motivated the development of numerous methods to partition the description of large chemical systems into smaller subsystem calculations. For example, WFT-in-DFT embedding methods facilitate the partitioning of a system into two subsystems: a subsystem A that is treated using an accurate WFT method, and a subsystem B that is treated using a more efficient Kohn-Sham density functional theory (KS-DFT) method. Representation of the interactions between subsystems is non-trivial, and often requires the use of approximate kinetic energy functionals or computationally challenging optimized effective potential calculations; however, it has recently been shown that these challenges can be eliminated through the use of a projection operator. This dissertation describes the development and application of embedding methods that enable accurate and efficient calculation of the properties of large chemical systems.

Chapter 1 introduces a method for efficiently performing projection-based WFT-in-DFT embedding calculations on large systems. This is accomplished by using a truncated basis set representation of the subsystem A wavefunction. We show that naive truncation of the basis set associated with subsystem A can lead to large numerical artifacts, and present an approach for systematically controlling these artifacts.

Chapter 2 describes the application of the projection-based embedding method to investigate the oxidative stability of lithium-ion batteries. We study the oxidation potentials of mixtures of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) by using the projection-based embedding method to calculate the vertical ionization energy (IE) of individual molecules at the CCSD(T) level of theory, while explicitly accounting for the solvent using DFT. Interestingly, we reveal that large contributions to the solvation properties of DMC originate from quadrupolar interactions, resulting in a much larger solvent reorganization energy than that predicted using simple dielectric continuum models. Demonstration that the solvation properties of EC and DMC are governed by fundamentally different intermolecular interactions provides insight into key aspects of lithium-ion batteries, with relevance to electrolyte decomposition processes, solid-electrolyte interphase formation, and the local solvation environment of lithium cations.

Site-Specific Isotopes in Small Organic Molecules

Stable isotope geochemistry is a valuable toolkit for addressing a broad range of problems in the geosciences. Recent technical advances provide information that was previously unattainable or provide unprecedented precision and accuracy. Two such techniques are site-specific stable isotope mass spectrometry and clumped isotope thermometry. In this thesis, I use site-specific isotope and clumped isotope data to explore natural gas development and carbonate reaction kinetics. In the first chapter, I develop an equilibrium thermodynamics model to calculate equilibrium constants for isotope exchange reactions in small organic molecules. This equilibrium data provides a framework for interpreting the more complex data in the later chapters. In the second chapter, I demonstrate a method for measuring site-specific carbon isotopes in propane using high-resolution gas source mass spectrometry. This method relies on the characteristic fragments created during electron ionization, in which I measure the relative isotopic enrichment of separate parts of the molecule. My technique will be applied to a range of organic compounds in the future. For the third chapter, I use this technique to explore diffusion, mixing, and other natural processes in natural gas basins. As time progresses and the mixture matures, different components like kerogen and oil contribute to the propane in a natural gas sample. Each component imparts a distinct fingerprint on the site-specific isotope distribution within propane that I can observe to understand the source composition and maturation of the basin. Finally, in Chapter Four, I study the reaction kinetics of clumped isotopes in aragonite. Despite its frequent use as a clumped isotope thermometer, the aragonite blocking temperature is not known. Using laboratory heating experiments, I determine that the aragonite clumped isotope thermometer has a blocking temperature of 50-100°C. I compare this result to natural samples from the San Juan Islands that exhibit a maximum clumped isotope temperature that matches this blocking temperature. This thesis presents a framework for measuring site-specific carbon isotopes in organic molecules and new constraints on aragonite reaction kinetics. This study represents the foundation of a future generation of geochemical tools for the study of complex geologic systems.

Biossorção de vanádio pela macroalga marinha Sargassum filipendula

Muitos biossorventes naturais têm sido pesquisados por possuírem baixo custo e apresentarem propriedades ligantes, como é o caso da macroalga marinha Sargassum filipendula (S. filipendula) que vem sendo utilizada como material biossorvente no processo de biossorção de metais pesados. No presente trabalho a alga marrom foi utilizada para estudos realizados em batelada, onde se determinou o pH ideal de biossorção de vanádio, a relação sólido/líquido ideal e a importância da velocidade de agitação. O estudo cinético e de equilíbrio dos íons metálicos também foram realizados em bateladas nas seguintes condições de ensaio: (1) 0,10 g de biomassa, 25,0 mL de solução de vanádio igual a 18,0 mg L-1, temperatura 25,0 C e 150 rpm de agitação; (2) 0,10 g de biomassa, 25,0 mL de solução de vanádio igual a 36,0 mg L-1, temperatura 25,0 C e 150 rpm de agitação. A melhor condição para biossorção de vanádio foi encontrada para 36,0 mg L-1 e pH= 2,0. O estudo cinético de biossorção de vanádio mostrou que o modelo de segunda ordem descreve melhor os dados experimentais em 36,0 mg L-1 (R2= 0,9825). O estudo de equilíbrio mostrou um perfil crescente de remoção de vanádio. A melhor eficiência de captação dos íons de vanádio foi de 61,0 % para Co= 40,0 mg L-1 em pH= 2,0. Os dados experimentais da isoterma de vanádio mostraram-se mais adequados ao modelo de Langmuir para pH= 2,0, Os parâmetros de equilíbrio calculados a partir do modelo de Langmuir (b, qmax ) 0,009 e 43,3 mg/g, respectivamente, corroboram melhor para a interpretação dos resultados quando comparados com o modelo de Freundlich (kF, n) 1,56 e 2,41, visto que o coeficiente de correlação é maior para Langmuir

Estudo da incorporação de diferentes tipos de argilas hidrofílicas em dispersões aquosas de poliuretanos para formação de nanocompósitos

Neste trabalho foram sintetizados nanocompósitos à base de poliuretanos em dispersão aquosa (NWPUs) e argilas hidrofílicas do tipo montimorilonita (MMT) de natureza sódica e cálcica. Os monômeros empregados na síntese foram: poli(glicol propilênico) (PPG); copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG), com teor de 7% de EG; ácido dimetilolpropiônico (DMPA) e diisocianato de isoforona (IPDI). Os NWPUs tiveram as argilas, previamente deslaminadas em água e incorporadas à formulação no momento da dispersão do prepolímero. Dispersões aquosas (WPUs), sem a presença de argila, foram sintetizadas como base, nas quais foram variadas a razão NCO/OH e a proporção de copolímero em relação ao PPG. Nas formulações NWPUs, foram variados também o teor de argila em relação à massa de prepolímero e o tipo de argila sódica e cálcica. As dispersões foram avaliadas, quanto ao teor de sólidos totais, tamanho médio de partícula e viscosidade. Os filmes vazados a partir das dispersões foram caracterizados por espectrometria na região do infravermelho (FTIR), difração de raios-x (XRD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). A resistência térmica dos filmes foi determinada por termogravimetria (TG) e a resistência mecânica dos filmes foi avaliada por ensaios mecânicos em dinamômetro. O grau de absorção de água dos filmes também foi determinado. A formação de nanocompósitos à base de água foi confirmada pela ausência do pico de XRD, característico das argilas empregadas na maioria dos filmes analisados. As micrografias obtidas por SEM confirmam uma dispersão homogênea das argilas na matriz poliuretânica. Os filmes à base de nanocompósitos (NWPUs) apresentaram propriedades superiores às apresentadas por aqueles obtidos a partir das dispersões sem argilas (WPUs). Os revestimentos formados a partir da aplicação das dispersões aderiram à maioria dos substratos testados (metal, vidro, madeira e papel) formando superfícies homogêneas

Co-incineração de pneus com resíduos sólidos urbanos

O aumento da população, o crescimento das grandes cidades, da industrialização e do consumo, tem trazido preocupação com relação a sustentabilidade quanto à disponibilidade energética e quanto à destinação dos resíduos sólidos urbanos gerados. Dessa forma, é fundamental realizarem-se os estudos visando novas formas de reutilização dos resíduos gerados pelas atividades industriais. Os resíduos sólidos urbanos e os pneus inservíveis gerados trazem conseqüências ao meio ambiente e às populações quando destinados inadequadamente. A destinação final dos resíduos sólidos urbanos é complexa, sendo sempre um grande desafio para as administrações públicas. Com a Política Nacional de Resíduos Sólidos (instituída pela Lei n 12.305/2010), tem-se um marco da preservação ambiental, coma a gestão e gerenciamento de resíduos sólidos, com a ordem de prioridade: não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição final ambientalmente adequada dos rejeitos e prevê, de forma inteligente, a atribuição aos fabricantes de responsabilidade pelo retorno de produtos descartados pelos consumidores. Uma alternativa para minimizar estes aspectos e impactos ambientais é o tratamento térmico com aproveitamento energético. Este processo contribui para mais uma solução de destinação dos resíduos, proporcionado uma redução das áreas a serem utilizadas nos aterros sanitários e contribuindo como uma fonte de geração de energia elétrica

Implantação de células experimentais para a avaliação de codisposição de resíduos sólidos de serviço de saúde e resíduos sólidos domiciliares: resultados preliminares

O tratamento e o destino final dos resíduos sólidos de serviços de saúde são assuntos que têm gerado controvérsias no tocante às alternativas tecnológicas disponíveis e aos riscos para a saúde pública e ao meio ambiente. O presente trabalho consistiu na caracterização físico-química e toxicológica de lixiviados de resíduos de serviços de saúde e de lixo domiciliar coletados pela Companhia Municipal de Limpeza Urbana (COMLURB) na cidade do Rio de Janeiro e teve por objetivo subsidiar a discussão com relação à questão da necessidade de tratamento e disposição final diferenciada para os resíduos de serviços de saúde. Os resultados obtidos ilustram uma biodegradabilidade não tão elevada dos lixiviados das Células experimentais C1, C2 e C3, onde C1 contém 100% de RSD, C2 100% de RSS e C3 98% de RSD em mistura com 2% de RSS. Percolados oriundos de aterros sanitários novos se caracterizam nomalmente por valores elevados de biodegradabilidade. No entanto, os resultados mostram um baixo nível de biodegradabilidade dos lixiviados das Células experimentais C1, C2 e C3. Os parâmetros físico-químicos analisados indicam que os microorganismos encontram-se ainda na fase de adaptação ao meio. Os resultados mostraram mais similaridades do que diferenças no lixiviado gerados da disposição de RSD, RSS e sua codisposição durante um período de 60 dias de operação das células experimentais.

空间固体激光器的研究进展

近年来，空间激光技术由于在地球科学和深空探测等领域具有重要的应用前景而引起了广泛的关注。回顾了国外空间固体激光器的发展状况和历程，总结了空间固体激光器在各领域的应用情况，以激光雷达和激光高度计为主，介绍了空间固体激光器的性能、指标及其发射后出现的问题。最后简要分析了空间固体激光器研制的关键技术及发展趋势。

Optical properties of ZnO thin film on gamma-LiAlO2 substrate grown by pulsed laser deposition

Optical properties were investigated of ZnO thin films grown oil (100) gamma-LiAlO2 (LAO) substrates by pulsed laser deposition method. C-axis oriented ZnO film was grown oil (100) LAO substrate at the substrate temperature of 550 degrees C. The transmittances of the films were over 85%. Peaks attributed to excitons were seen in the absorption spectra, indicating that the thin films have high crystallinity. Photoluminescence spectra were observed at room temperature; the peak at 550 urn is ascribed to oxygen vacancies in the ZnO films caused by the diffusion of Li from the substrate into the film during deposition. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

ScAlMgO_4晶体的生长缺陷

采用提拉法生长出φ30 mm×55 mm的ScAlMgO4晶体。在晶体生长过程中有轻微的挥发,粉末X射线衍射分析表明:挥发物质为MgO单相。运用扫描电镜、光学显微镜以及高分辨X射线衍射仪对晶体中的包裹物、开裂、生长条纹和小角晶界缺陷进行了研究。结果表明:温度梯度和热应力是形成晶体中缺陷的主要原因。通过合理设计温场,控制固-液界面的形状及冷却过程的降温速率,可以提高晶体的完整性。

Growth and spectral properties of Er:Gd2SiO5 crystal

Er3+ -doped Gd2SiO5 (Er:GSO) single crystal with dimensions of circle divide 35 x 40 mm(3) has been grown by the Czochralski method. The absorption and fluorescence spectra of the Er:GSO crystal were measured at room temperature. The spectral parameters were calculated based on Judd-Ofelt theory, and the intensity parameters Omega(2), Omega(4) and Omega 6 are obtained to be 6.168 x 10(-20), 1.878 x 10(-20), and 1.255 x 10(-20) cm(2), respectively. The emission cross-section has been calculated by Fuechtbauer-Ladenbury formula. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influence of oxygen partial pressure on the structure and photoluminescence of direct current reactive magnetron sputtering ZnO thin films

The effects of oxygen partial pressure on the structure and photoluminescence (PL) of ZnO films were studied. The films were prepared by direct current (DC) reactive magnetron sputtering with various oxygen concentrations at room temperature. With increasing oxygen ratio, the structure of films changes from zinc and zinc oxide phases, single-phase ZnO, to the (002) orientation, and the mechanical stresses exhibit from tensile stress to compressive stress. Films deposited at higher oxygen pressure show weaker emission intensities, which may result from the decrease of the oxygen vacancies and zinc interstitials in the film. This indicates that the emission in ZnO film originates from the oxygen vacancy and zinc interstitial-related defects. From optical transmittance spectra of ZnO films, the plasma edge shifts towards the shorter wavelength with the improvement of film stoichiometry. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Estudo do efeito da adição de poli(glicol etilênico-b-glicol propilênico) na formação de dispersões aquosas poliuretânicas à base de poli(glicol propilênico)

Foram produzidas dispersões aquosas não-poluentes e inovadoras de poli(uretano-uréia) à base de poli(glicol propilênico) (PPG) e de copolímeros em bloco, poli(glicol etilênicob-glicol propilênico), (EG-b-PG) com teor de 7% de unidades de glicol etilênico. Os poli(uretano-uréia)s foram preparados, em duas etapas, pelo método do prepolímero. Na primeira etapa, foram obtidos anionômeros, sintetizados em massa, à base do copolímero EG-bPG, PPG, ácido dimetilol propiônico (DMPA) (gerador dos sítios aniônicos) e diisocianato de isoforona (IPDI). Ainda na primeira etapa, os grupos carboxílicos do DMPA foram submetidos à neutralização com trietilamina (TEA). Na segunda etapa, foi realizada a dispersão do prepolímero anionômero e, em seguida, foi conduzida a reação de extensão de cadeia com a hidrazina (HYD). Nas diferentes formulações, foram variadas a razão NCO/OH e as proporções de PPG e do copolímero em bloco EG-b-PG. Além disso, foram obtidas dispersões aquosas programadas para teores de sólidos de 40 e 50%. As dispersões foram avaliadas quanto ao teor de sólidos totais, tamanho médio de partícula e viscosidade. Os filmes, obtidos por vazamento das dispersões, foram avaliados quanto à absorção de água, termogravimetria (TG) e propriedades mecânicas (ensaio de tração). Os filmes vazados e os monômeros foram caracterizados por espectrometria na região de infravermelho (FTIR) As dispersões obtidas se mostraram adequadas para serem aplicadas como revestimento para madeira, metais e vidro

Análise de uma iniciativa de valorização de rios e lagoas em áreas urbanas: Programa Águas do rio (Guardiões dos rios).

A preocupação com recursos hídricos tem sido crescente em meios urbanos. O despejo de resíduos sólidos em rios é comum por populações ribeirinhas, favorecendo a ocorrência de enchentes, a proliferação de vetores e doenças e o desprezo da comunidade pelos rios. Nesse contexto, programas que relacionam lixo, recursos hídricos e população ribeirinha têm sido objeto de várias iniciativas governamentais. Este trabalho busca avaliar uma delas: o Programa Municipal de valorização de rios e lagoas Águas do Rio (Guardiões dos rios) que foi desenvolvido pela prefeitura do Rio de Janeiro entre abril de 2001 a março de 2008. O programa buscou aliar interesses de ordem técnica, de saúde pública e de cunho social para a comunidade por utilizar mão de obra local para a manutenção da calha do rio, visando à retirada de lixo e entulhos do rio, geralmente em áreas de pequena extensão territorial, com manutenção adequada de margens e entornos. A partir de entrevistas abertas e questionários aplicados junto aos envolvidos de 27 frentes de trabalho, constatou-se um resultado bastante positivo nas comunidades onde o Programa foi implantado: diminuição de enchentes, redução de vetores e melhoria da paisagem urbana. Contudo, observou-se também profundo descontentamento com a interrupção do Programa, atribuído principalmente ao uso indevido por determinados políticos (ampliação descontrolada do Programa com abandono de critérios técnicos) e a transferência da sua gestão para uma instituição municipal que não o manteve funcionando. Conclui-se, sobretudo, que o Programa Guardiões dos rios é uma iniciativa criativa de ações emergenciais em rios urbanos, em nível municipal, que combina a retirada de lixo dos rios, um trabalho social e campanhas de educação ambiental junto às comunidades.

O Itamaraty e a cultura brasileira: 1945-1964

Esta dissertação propõe-se a estudar o modus operandi do Ministério das Relações Exteriores do Brasil (Itamaraty) na condução de sua política cultural externa entre 1945 e 1964. A pesquisa articulou, analiticamente, os diversos fatores envolvidos, tais como os antecedentes históricos desta dimensão da política externa brasileira, as discussões no âmbito da política interna do país, os desafios e evoluções pelas quais passou a cultura nacional. O contexto internacional do período e as ações culturais empreendidas pelo Itamaraty foram os fios condutores para a formulação da principal hipótese da dissertação: a de que o Itamaraty, a despeito de momentos de inflexão e refluxo, forjou uma sólida tradição no planejamento e execução de uma política cultural brasileira no exterior que, por sua vez, tornou-se elemento fundamental na construção da imagem internacional do Brasil.