Universal tight binding model for chemical reactions in solution and at surfaces. I. Organic molecules

As is now well established, a first order expansion of the Hohenberg-Kohn total energy density functional about a trial input density, namely, the Harris-Foulkes functional, can be used to rationalize a non self consistent tight binding model. If the expansion is taken to second order then the energy and electron density matrix need to be calculated self consistently and from this functional one can derive a charge self consistent tight binding theory. In this paper we have used this to describe a polarizable ion tight binding model which has the benefit of treating charge transfer in point multipoles. This admits a ready description of ionic polarizability and crystal field splitting. It is necessary in constructing such a model to find a number of parameters that mimic their more exact counterparts in the density functional theory. We describe in detail how this is done using a combination of intuition, exact analytical fitting, and a genetic optimization algorithm. Having obtained model parameters we show that this constitutes a transferable scheme that can be applied rather universally to small and medium sized organic molecules. We have shown that the model gives a good account of static structural and dynamic vibrational properties of a library of molecules, and finally we demonstrate the model's capability by showing a real time simulation of an enolization reaction in aqueous solution. In two subsequent papers, we show that the model is a great deal more general in that it will describe solvents and solid substrates and that therefore we have created a self consistent quantum mechanical scheme that may be applied to simulations in heterogeneous catalysis.

Detection of Low-Concentration Contaminants in Solution by Exploiting Chemical Derivatization in Surface-Enhanced Raman Spectroscopy

Determining the Effect of Plasma Pre-Treatment on Antimony Tin Oxide to Support Pt@Pd and the Oxygen Reduction Reaction Activity

This article reveals the effect of plasma pre-treatment on antimony tin oxide (ATO) nanoparticles. The effect is to allow Pt@Pd to be deposited homogeneously on the ATO surface with high dispersion and narrow particle size distribution. The Pt@Pd core–shell catalyst was prepared using the polyol method and shows a dramatic improvement towards ORR activity and durability.

Examining the redox and formate mechanisms for water-gas shift reaction on Au/CeO2 using density functional theory

We perform DFT calculations to investigate the redox and formate mechanisms of water-gas-shift (WGS) reaction on Au/CeO2 catalysts. In the redox mechanism, we analyze all the key elementary steps and find that the OH cleavage is the key step. Three possible pathways of OH cleavage are calculated: (1) OHad '' + *'--> H-ad' + O-ad"; (2) H-ad' + OHad '' --> H-2(g) + O-ad '' + *'; and (3) OHad" + OHad '' --> 2O(ad '') + H-2(g) (*': the free adsorption sites on the oxides; ad': adsorption on the metal; ad": adsorption on the oxide, respectively). In the formate mechanism, we identify all the possible pathways for the formation and decomposition of surface formates in the WGS reaction. It is found that there is a shortcoming in the redox and formate mechanisms which is related to surface oxygen reproduction. Four possible pathways for producing surface oxygen are studied, and all the barriers of the four pathways are more than 1 eV. Our results suggest that the processes to reproduce surface oxygen in the reaction circle are not kinetically easy. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

A small supramolecular system which emulates the unidirectional, path-selective photoinduced electron transfer (PET) of the bacterial photosynthetic reaction centre (PRC)

The singlet excited state of the 4-aminonaphthalimide fluorophore in 1a and 1b directs electron transfer from intramolecular but external amine groups along only one of two available paths.

In situ catalyst activity control in a novel membrane reactor-Reaction driven wireless electrochemical promotion of catalysis

A dual chamber membrane reactor was used in order to study the effect of macroscopically applied oxygen chemical potential differences to a platinum catalyst supported on a mixed oxygen ion and electronic conducting membrane. It is believed that the oxygen chemical potential difference imposed by the use of an oxygen sweep in one of the reactor chambers causes the back-spillover of oxygen species from the support onto the catalyst surface, resulting in the modification of the catalytic activity. The use of different sweep gases, such as ethylene and hydrogen was investigated as the means to reverse the rate modification by removing the spilt over species from the catalyst surface and returning the system to its initial state. Oxygen sweep in general had a positive effect on the reaction rate with rate increases up to 20% measured. Experimental results showed that hydrogen is a more potent sweep gas than ethylene in terms of the ability to reverse rate modification. A 10% rate loss was observed when using an ethylene sweep as compared with an almost 60% rate decrease when hydrogen was used as the sweep gas. © 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Electrochemical promotion of catalysis controlled by chemical potential difference across a mixed ionic-electronic conducting ceramic membrane - An example of wireless NEMCA

A La_0.6Sr_0.4Co_0.2F_0.8O₃ mixed ionic electronic conducting (MIEC) membrane was used in a dual chamber reactor for the promotion of the catalytic activity of a platinum catalyst for ethylene oxidation. By controlling the oxygen chemical potential difference across the membrane, a driving force for oxygen ions to migrate across the membrane and backspillover onto the catalyst surface is established. The reaction is then promoted by the formation of a double layer of oxide anions on the catalyst surface. Thelectronic conductivity of the membrane material eliminates the need for an external circuit to pump the promoting oxide ion species through the membrane and onto the catalyst surface. This renders this "wireless" system simpler and more amenable for large-scale practical application. Preliminary experiments show that the reaction rate of ethylene oxidation can indeed be promoted by almost one order of magnitude upon exposure to an oxygen atmosphere on the sweep side of the membrane reactor, and thus inducing an oxygen chemical potential difference across the membrane, as compared to the rate under an inert sweep gas. Moreover, the rate does not return to its initial unpromoted value upon cessation of the oxygen flow on the sweep side, but remains permanently promoted. A number of comparisons are drawn between the classical electrochemical promotion that utilises an external circuit and the "wireless" system that utilises chemical potential differences. In addition a 'surface oxygen capture' model is proposed to explain the permanent promotion of the catalyst activity. © 2007 Springer Science+Business Media, LLC.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

Structural and chemical characterization of corals grown under present day and naturally elevated pCO2 conditions in Papua New Guinea - a window into the future

Dissertação de mestrado, Biologia Marinha, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Electrochemical and quantum chemical investigations of the insecticide fipronil.

This work describes an electrochemical and quantum chemical investigation of the fipronil insecticide. Cyclic voltammetry (CV) and square wave voltammetry (SWV) experiments were performed over a graphite-polyurethane (GPU) composite electrode. The fipronil molecule presents an one?electron irreversible oxidation reaction. Profiting the SWV signal a square wave stripping voltammetry (SWSV) procedure to determine the fipronil molecule in a 0.10 mol L-1 Britton-Robinson buffer solution, pH 8.0 was developed with accumulation potential and time of 0.50 V and 120 s, respectively. The limits of detection and quantification were 0.80 and 2.67 ?g L-1, respectively. Recovery tests were performed in three natural waters samples with values ranging from 99.67 to 101.37%. Quantum chemical studies showed that the nitrogen atom of the pyrazole group is the most probable oxidation site of the fipronil molecule.

Modeling reaction kinetics and mass transfer in ozonation in water solutions

This dissertation is based on four articles dealing with modeling of ozonation. The literature part of this considers some models for hydrodynamics in bubble column simulation. A literature review of methods for obtaining mass transfer coefficients is presented. The methods presented to obtain mass transfer are general models and can be applied to any gas-liquid system. Ozonation reaction models and methods for obtaining stoichiometric coefficients and reaction rate coefficients for ozonation reactions are discussed in the final section of the literature part. In the first article, ozone gas-liquid mass transfer into water in a bubble column was investigated for different pH values. A more general method for estimation of mass transfer and Henry’s coefficient was developed from the Beltrán method. The ozone volumetric mass transfer coefficient and the Henry’s coefficient were determined simultaneously by parameter estimation using a nonlinear optimization method. A minor dependence of the Henry’s law constant on pH was detected at the pH range 4 - 9. In the second article, a new method using the axial dispersion model for estimation of ozone self-decomposition kinetics in a semi-batch bubble column reactor was developed. The reaction rate coefficients for literature equations of ozone decomposition and the gas phase dispersion coefficient were estimated and compared with the literature data. The reaction order in the pH range 7-10 with respect to ozone 1.12 and 0.51 the hydroxyl ion were obtained, which is in good agreement with literature. The model parameters were determined by parameter estimation using a nonlinear optimization method. Sensitivity analysis was conducted using object function method to obtain information about the reliability and identifiability of the estimated parameters. In the third article, the reaction rate coefficients and the stoichiometric coefficients in the reaction of ozone with the model component p-nitrophenol were estimated at low pH of water using nonlinear optimization. A novel method for estimation of multireaction model parameters in ozonation was developed. In this method the concentration of unknown intermediate compounds is presented as a residual COD (chemical oxygen demand) calculated from the measured COD and the theoretical COD for the known species. The decomposition rate of p-nitrophenol on the pathway producing hydroquinone was found to be about two times faster than the p-nitrophenol decomposition rate on the pathway producing 4- nitrocatechol. In the fourth article, the reaction kinetics of p-nitrophenol ozonation was studied in a bubble column at pH 2. Using the new reaction kinetic model presented in the previous article, the reaction kinetic parameters, rate coefficients, and stoichiometric coefficients as well as the mass transfer coefficient were estimated with nonlinear estimation. The decomposition rate of pnitrophenol was found to be equal both on the pathway producing hydroquinone and on the path way producing 4-nitrocathecol. Comparison of the rate coefficients with the case at initial pH 5 indicates that the p-nitrophenol degradation producing 4- nitrocathecol is more selective towards molecular ozone than the reaction producing hydroquinone. The identifiability and reliability of the estimated parameters were analyzed with the Marcov chain Monte Carlo (MCMC) method. @All rights reserved. No part of the publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior permission of the author.