Electrochemical promotion of catalysis using solid-state proton-conducting membranes

A solid-state electrochemical reactor with ceramic proton-conducting membrane has been used to study the effect of electrochemically induced hydrogen spillover on the catalytic activity of platinum during ethylene oxidation. Suitable proton-conducting electrolyte membranes (Gd-doped BaPrO ₃ (BPG) and Y-doped BaZrO₃ (BZY)) were fabricated. These materials were chosen because of their protonic conductivity in the operational temperature region of the reaction (400-700 °C). The BZY-based electrochemical cell was used to investigate the open-circuit voltage (OCV) dependence on H₂ partial pressure with comparison being made to the theoretical OCV as predicted by the Nernst equation. Furthermore, the BZY pellets were used to study the effect of proton transfer of the catalytic activity of platinum during ethylene oxidation. The reaction was found to exhibit electrochemical promotion at 400 °C and to be electrophilic in nature, i.e. proton addition to the platinum surface resulted in an increase in reaction rate. At higher temperatures, the rate was not affected, within experimental error, by proton addition or removal. Under similar conditions, AC impedance showed that there was a large overall cell resistance at 400 °C with significantly decreased resistance at higher temperatures. It is possible that there could be a relationship between large cell resistances and the onset of electrochemical promotion in this system but there is, as yet, no conclusive evidence for this. © 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Multiple source quantum well model of porous silicon light emission

Based on photoluminescence, Fourier transform infrared spectroscopy, and atomic force microscopy results, a new light emitting model for porous silicon (multiple source quantum well model) is proposed.

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

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

Infrared and Raman screening of seized novel psychoactive substances: A large scale study of >200 samples

The potential of IR absorption and Raman spectroscopy for rapid identification of novel psychoactive substances (NPS) has been tested using a set of 221 unsorted seized samples suspected of containing NPS. Both IR and Raman spectra showed large variation between the different sub-classifications of NPS and smaller, but still distinguishable, differences between closely related compounds within the same class. In initial tests, screening the samples using spectral searching against a limited reference library allowed only 41% of the samples to be fully identified. The limiting factor in the identification was the large number of active compounds in the seized samples for which no reference vibrational data were available in the libraries rather than poor spectral quality. Therefore, when 33 of these compounds were independently identified by NMR and mass spectrometry and their spectra used to extend the libraries, the percentage of samples identified by IR and Raman screening alone increased to 76%, with only 7% of samples having no identifiable constituents. This study, which is the largest of its type ever carried out, therefore demonstrates that this approach of detecting non-matching samples and then identifying them using standard analytical methods has considerable potential in NPS screening since it allows rapid identification of the constituents of the majority of street quality samples. Only one complete feedback cycle was carried out in this study but there is clearly the potential to carry out continuous identification/updating when this system is used in operational settings.

Síntese de derivados oligoméricos de porfirinas e ftalocianinas

A presente dissertação contempla estudos de funcionalização de 5,10,15,20- tetrafenilporfirina via grupos nitro e amino e a preparação de sistemas porfirina-ftalocianina. Este trabalho encontra-se dividido em quatro partes. Na primeira parte descrevem-se as características gerais de porfirinas e ftalocianinas bem como algumas metodologias de síntese utilizadas na sua preparação e suas potenciais aplicações. Na segunda parte desta dissertação descreve-se a funcionalização de 5,10,15,20-tetrafenilporfirina com arilaminas recorrendo a duas rotas sintéticas diferentes. A reacção de 2-nitro-5,10,15,20-tetrafenilporfirina com anilina ou aminas aromáticas substituídas com grupos dadores de electrões permitiu, através do ataque do nucleófilo ao carbono beta-pirrólico onde está ligado o grupo nitro, ataque ipso, a obtenção de derivados do tipo 2-arilaminoporfirinas e derivados porfirínicos de anéis fundidos, sendo estes últimos resultantes da ciclização oxidativa de 2-arilaminoporfirinas. A reacção entre (2-amino- 5,10,15,20-tetrafenilporfirinato)níquel(II) e brometos de arilo na presença de paládio, reacção de aminação de Buchwald-Hartwig, permitiu, após descomplexação, a preparação de novos derivados do tipo 2- arilaminoporfirinas com grupos substituintes dadores e aceitadores de electrões. Um dos derivados porfirínicos de anéis fundidos foi submetido a reacção de complexação com diferentes iões metálicos e foram estudadas as respectivas propriedades fotoquímicas e electroquímicas. Esses estudos revelaram que estes compostos são bons geradores de oxigénio singuleto e que sofrem processos de oxidação-redução electroquimicamente reversíveis. Esta metodologia foi estendida ainda a brometos de hetarilo (derivados de piridina e tiofeno). Recorrendo ao acoplamento, em condições de Buchwald-Hartwig, de complexos metálicos da 5,10,15,20-tetrafenilporfirina, funcionalizados com grupos amino e bromo, preparam-se dímeros porfirina-amino-porfirina, cujos espectros electrónicos revelam a existência de uma boa “comunicação electrónica” entre as duas subunidades. A terceira parte descreve a síntese de sistemas porfirina-ftalocianina. Recorrendo à condensação estatística entre a 5,10,15,20-tetrafenilporfirina substituída com um grupo ftalonitrilo na posição beta-pirrólica com ftalonitrilo ou ftalonitrilo substituído foram obtidas díades porfirina-ftalocianina onde as duas subunidades se encontram directamente ligadas ou fundidas. Os porfirinilftalonitrilos necessários para a síntese das diferentes díades foram preparados através da reacção de adição do fumaronitrilo à 5,10,15,20- tetrafenilporfirina funcionalizada com o grupo 1,3-butadienilo ou vinilo, seguida de oxidação do aducto resultante. O acoplamento catalisado por paládio entre (2-bromo-5,10,15,20- tetrafenilporfirinato)zinco(II) e [9(10),16(17),23(24)-tri-terc-butil-2- etinilftalocianinato]zinco(II) permitiu a síntese de uma díade porfirinaftalocianina com as duas unidades ligadas por um grupo etinilo. Uma pentíade porfirina-ftalocianina foi obtida através da ciclotetramerização de um dos porfirinilftalonitrilos. A comparação dos espectros electrónicos das diferentes classes de sistemas revela que as correspondentes propriedades electrónicas são altamente afectadas pela distância entre as subunidades e também pelo número de cromóforos presentes no sistema. Os estudos fotofísicos de alguns dos novos compostos acima referidos permitiram verificar a ocorrência eficiente de transferência de energia da subunidade porfirínica para a da ftalocianina, capacidade essa que permitirá a estes sistemas serem usados para modelar o processo fotossintético. Na última parte descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efectuadas e as caracterizações espectroscópicas, nomeadamente de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), espectrometria de massa e espectrofotometria de UV-vis, dos compostos sintetizados. Nalguns casos recorreu-se ainda a técnicas de RMN bidimensionais como COSY, HSQC, HMBC, NOESY e ROESY.

Synthesis, characterization, electrochemical behavior and in vitro protein tyrosine kinase inhibitory activity of the cymene-halogenobenzohydroxamato [Ru(eta(6)-cymene)(bha)Cl] complexes

The ruthenium(II)-cymene complexes [Ru(eta(6)-cymene)(bha)Cl] with substituted halogenobenzohydroxamato (bha) ligands (substituents = 4-F, 4-Cl, 4-Br, 2,4-F-2, 3,4-F-2, 2,5-F-2, 2,6-F-2) have been synthesized and characterized by elemental analysis, IR, H-1 NMR, C-13 NMR, cyclic voltammetry and controlled-potential electrolysis, and density functional theory (DFT) studies. The compositions of their frontier molecular orbitals (MOs) were established by DFT calculations, and the oxidation and reduction potentials are shown to follow the orders of the estimated vertical ionization potential and electron affinity, respectively. The electrochemical E-L Lever parameter is estimated for the first time for the various bha ligands, which can thus be ordered according to their electron-donor character. All complexes exhibit very strong protein tyrosine kinase (PTK) inhibitory activity, even much higher than that of genistein, the clinically used PTK inhibitory drug. The complex containing the 2,4-difluorobenzohydroxamato ligand is the most active one, and the dependences of the PTK activity of the complexes and of their redox potentials on the ring substituents are discussed. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Electroanalysis of urinary L-dopa using tyrosinase immobilized on gold nanoelectrode ensembles

The performance of an amperometric biosensor constructed by associating tyrosinase (Tyr) enzyme with the advantages of a 3D gold nanoelectrode ensemble (GNEE) is evaluated in a flow-injection analysis (FIA) system for the analysis of l-dopa. GNEEs were fabricated by electroless deposition of the metal within the pores of polycarbonate track-etched membranes. A simple solvent etching procedure based on the solubility of polycarbonate membranes is adopted for the fabrication of the 3D GNEE. Afterward, enzyme was immobilized onto preformed self-assembled monolayers of cysteamine on the 3D GNEEs (GNEE-Tyr) via cross-linking with glutaraldehyde. The experimental conditions of the FIA system, such as the detection potential (−0.200 V vs. Ag/AgCl) and flow rates (1.0 mL min−1) were optimized. Analytical responses for l-dopa were obtained in a wide concentration range between 1 × 10−8 mol L−1 and 1 × 10−2 mol L−1. The limit of quantification was found to be 1 × 10−8 mol L−1 with a resultant % RSD of 7.23% (n = 5). The limit of detection was found to be 1 × 10−9 mol L−1 (S/N = 3). The common interfering compounds, namely glucose (10 mmol L−1), ascorbic acid (10 mmol L−1), and urea (10 mmol L−1), were studied. The recovery of l-dopa (1 × 10−7 mol L−1) from spiked urine samples was found to be 96%. Therefore, the developed method is adequate to be applied in the clinical analysis.

Development of fractional order capacitors based on electrolyte processes

In recent years, significant research in the field of electrochemistry was developed. The performance of electrical devices, depending on the processes of the electrolytes, was described and the physical origin of each parameter was established. However, the influence of the irregularity of the electrodes was not a subject of study and only recently this problem became relevant in the viewpoint of fractional calculus. This paper describes an electrolytic process in the perspective of fractional order capacitors. In this line of thought, are developed several experiments for measuring the electrical impedance of the devices. The results are analyzed through the frequency response, revealing capacitances of fractional order that can constitute an alternative to the classical integer order elements. Fractional order electric circuits are used to model and study the performance of the electrolyte processes.

Proof of Concept of the Electrochemical Sensing of 3-Iodothyronamine (T1AM) and Thyronamine (T0AM)

Recent studies have shown that, besides the well-recognized T3 and T4 hormones, there are other relevant thyroid hormones circulating in the human body. In particular, this is the case for 3-iodothyronamine (T1AM) and thyronamine (T0AM). One of the reasons for the lack of studies showing their precise importance is the absence of analytical methodologies available. Herein, for the first time, T1AM and T0AM are electrochemically characterized. T0AM was sensed by means of a glassy carbon electrode; furthermore, T1AM was sensed both with a graphitic surface (oxidatively) as well as with mercury (reductively). For both compounds, after oxidation, it was possible to observe the reversible redox reaction concerning the benzoquinone/hydroquinone couple, thus increasing the specificity of the electroanalysis. Therefore, this work provides the basis for an ‘at-point-of-use’ electrochemical strip test for T1AM and T0AM.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

XIX Meeting of the Portuguese Electrochemical Society - XVI Iberic Meeting of Electrochemistry

Improving the early diagnostic of prostate cancer by multiple biomarker detection with new biosensing devices

Prostate cancer (PCa) is the most common form of cancer in men, in Europe (World Health Organization data). The most recent statistics, in Portuguese territory, confirm this scenario, which states that about 50% of Portuguese men may suffer from prostate cancer and 15% of these will die from this condition. Its early detection is therefore fundamental. This is currently being done by Prostate Specific Antigen (PSA) screening in urine but false positive and negative results are quite often obtained and many patients are sent to unnecessary biopsy procedures. This early detection protocol may be improved, by the development of point-of-care cancer detection devices, not only to PSA but also to other biomarkers recently identified. Thus, the present work aims to screen several biomarkers in cultured human prostate cell lines, serum and urine samples, developing low cost sensors based on new synthetic biomaterials. Biomarkers considered in this study are the following: prostate specific antigen (PSA), annexin A3 (ANXA3), microseminoprotein-beta (MSMB) and sarcosine (SAR). The biomarker recognition may occurs by means of molecularly imprinted polymers (MIP), which are a kind of plastic antibodies, and enzymatic approaches. The growth of a rigid polymer, chemically stable, using the biomarker as a template allows the synthesis of the plastic antibody. MIPs show high sensitivity/selectivity and present much longer stability and much lower price than natural antibodies. This nanostructured material was prepared on a carbon solid. The interaction between the biomarker and the sensing-material produces electrical signals generating quantitative or semi-quantitative data. These devices allow inexpensive and portable detection in point-of-care testing.

Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Structure et propriétés électroniques de nanotubes de carbone en solution polyélectrolyte

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude de l’oxydoréduction de monocouches électroactives de ferrocénylalcanethiolates par spectroscopie à résonance des plasmons de surface

L’oxydoréduction de monocouches auto-assemblées (SAMs) de ferrocénylalcanethiolates à la surface d’or (FcRSAu) a été étudiée en temps réel par la spectroscopie de résonance de plasmons de surface couplée avec l’électrochimie (E-SPR). La sensibilité de cette technique permet de déterminer des changements d’épaisseur de couche l’ordre de quelques angström résultant d’un changement de structure de la SAM. Plusieurs études antérieures ont proposé que l’oxydation électrochimique d’une SAM de FcRSAu induit une réorientation moléculaire. L’E-SPR est utilisé pour identifier l’origine de ce changement structurel. D’abord, une calibration du réfractomètre SPR utilisé a été effectuée afin de trouver une équation de conversion du signal SPR obtenu en pixel en angle d’incidence pour que l’on puisse calculer le changement d’épaisseur de monocouche à partir du changement d’angle de résonance avec le modèle de Fresnel. Par la suite, une caractérisation approfondie des SAMs de FcCnSAu (où n = 6, 8, 12, 14) en contact avec du NaClO4 acidifié a été réalisée par électrochimie, éllipsométrie, spectroscopie infrarouge et microscopie à force atomique. Les résultats obtenus montrent que l’augmentation de la longueur des chaînes alkyles donne des SAMs de ferrocènes plus épaisses et moins désordonnées. L’analyse par l’E-SPR de ces SAMs pures montre que le changement d’épaisseur induit par l’électro-oxydation dépend linéairement du nombre de méthylènes sur la chaîne alkyle. En appliquant la déconvolution mathématique aux voltampérogrammes cycliques enregistrés pour les SAM mixtes (FcC12SAu/C11SAu) de différentes compositions, on arrive à la conclusion qu’il y a un redressement des chaînes alkyles dans les domaines des ferrocènes agrégés mais la réorientation des têtes de ferrocène dans les domaines de ferrocènes agrégés ou dispersés ne peut pas être exclue. Enfin, l’effet de l’anion électrolytique sur le changement d’épaisseur de la SAM mesuré par l’E-SPR a été étudié. L’analyse électrochimique montre que la capacité de pairage d’anions avec les ferrocéniums décroit comme suit : PF6- > ClO4- > BF4- > NO3-. Tandis que l’épaisseur de la SAM donnée par le changement d’angle de résonance suit la tendance suivante : NO3- ≥ ClO4- > PF6- ≈ BF4-. Des études plus approfondies seront nécessaire pour clarifier cette tendance observée par E-SPR.

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.