Photocatalytic activities of tin(IV) oxide surface-modified titanium(IV) dioxide show a strong sensitivity to the TiO 2 crystal form

Surface modification of rutile TiO2 with extremely small SnO2 clusters gives rise to a great increase in its UV light activity for degradation of model organic water pollutants, while the effect is much smaller for anatase TiO2. This crystal form sensitivity is rationalized in terms of the difference in the electronic modification of TiO2 through the interfacial Sn−O−Ti bonds. The increase in the density of states near the conduction band minimum of rutile by hybridization with the SnO2 cluster levels intensifies the light absorption, but this is not seen with modified anatase. The electronic transition from the valence band to the conduction band causes the bulk-to-surface interfacial electron transfer to enhance charge separation. Further, electrons relaxed to the conduction minimum are smoothly transferred to O2 due to the action of the SnO2 species as an electron transfer promoter.

Lead oxide-modified TiO2 photocatalyst: tuning light absorption and charge carrier separation by lead oxidation state

Modification of TiO2 with metal oxide nanoclusters such as FeOx, NiOx has been shown to be a promising approach to the design of new photocatalysts with visible light absorption and improved electron–hole separation. To study further the factors that determine the photocatalytic properties of structures of this type, we present in this paper a first principles density functional theory (DFT) investigation of TiO2 rutile(110) and anatase(001) modified with PbO and PbO2 nanoclusters, with Pb2+ and Pb4+ oxidation states. This allows us to unravel the effect of the Pb oxidation state on the photocatalytic properties of PbOx-modified TiO2. The nanoclusters adsorb strongly at all TiO2 surfaces, creating new Pb–O and Ti–O interfacial bonds. Modification with PbO and PbO2 nanoclusters introduces new states in the original band gap of rutile and anatase. However the oxidation state of Pb has a dramatic impact on the nature of the modifications of the band edges of TiO2 and on the electron–hole separation mechanism. PbO nanocluster modification leads to an upwards shift of the valence band which reduces the band gap and upon photoexcitation results in hole localisation on the PbO nanocluster and electron localisation on the surface. By contrast, for PbO2 nanocluster modification the hole will be localised on the TiO2 surface and the electron on the nanocluster, thus giving rise to two different band gap reduction and electron–hole separation mechanisms. We find no crystal structure sensitivity, with both rutile and anatase surfaces showing similar properties upon modification with PbOx. In summary the photocatalytic properties of heterostructures of TiO2 with oxide nanoclusters can be tuned by oxidation state of the modifying metal oxide, with the possibility of a reduced band gap causing visible light activation and a reduction in charge carrier recombination.

Radiation flux from the upper and lower hemispheres in the visible spectral range

This paper describes measurements from shortwave radiation radiosonde ascents done at the Atlantische Expedition 1969. Using the results from a total of 67 ascents mean components of the shortwave radiation budget of the atmospheric layer between the ocean surface and the top of the ascent are discussed. The influence of clouds on the radiation balance is shown by dividing the ascents in classes of cloudiness and cloud altitude. Thereby the albedo of the ocean surface is increasing with increasing amount of cloudiness. Similar the albedo of the troposphere increases involving an increased heating rate of the atmospheric layer.

Pulling Back the Veil: The Characterization and Habitability of Enshrouded Worlds

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Synthèse et caractérisation des matériaux nanostructurés et leur mise en oeuvre comme photocatalyseurs pour la dégradation du glyphosate en milieux aqueux

L’utilisation des pesticides n’a cessé d’augmenter en particulier le glyphosate, herbicide utilisé principalement dans l’agriculture. Ses effets ont été démontrés néfastes sur l’environnement et sur la santé humaine. Bien que la plupart du glyphosate résiduel soit adsorbé par les constituants du sol, une partie peut être désorbée ou atteindre les eaux de surface par érosion. Le renforcement des normes de qualité de l’eau en milieu agricole et urbain entraîne le développement de nouveaux procédés. Les photocatalyseurs à base de TiO2 peuvent procurer une solution attrayante pour l’élimination de cet herbicide. Actif uniquement dans le domaine de l’UV qui représente 4% du rayonnement solaire, étendre cette réactivité photocatalytique dans le domaine du visible est un enjeu majeur. Le dopage du TiO2 à l’azote et au graphène a permis une élimination totale du glyphosate au bout de 30 minutes. Après sa synthèse, le photocatalyseur GR-N/TiO2 a été caractérisé par différentes techniques à savoir la diffraction des rayons X (DRX), l’infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et la microscopie électronique par transmission (TEM). L’activité photocatalytique est testée sur la dégradation du glyphosate sous irradiation de la lumière visible. Les résultats montrent que le composite GR-N/TiO2 peut effectivement photodégrader le glyphosate grâce à une amélioration impressionnante de l’activité photocatalytique due à une grande adsorption du glyphosate sur le nanomatériau synthétisé et à l’extension de l’absorption au domaine du visible.

Remoción de la hemoglobina por adsorción sobre nanopartículas magnéticas de Fe3O4/TiO2

La remoción de la hemoglobina (Hb) por adsorción de la proteína sobre nanopartículas (Nps) magnéticas de Fe3O4/TiO2 (núcleo/coraza) aplicando un campo magnético externo, fue investigada mediante espectroscopia ultravioleta en el rango del ultravioleta y visible (UV-VIS). Durante la etapa de contacto de las Nps con la Hb se varió la concentración de las Nps y la temperatura, complementariamente durante la etapa de remoción del complejo Fe3O4/TiO2-Hb se varió la intensidad del campo magnético externo. Con una concentración inicial de Nps de 8 mg ml-1, el valor de la absorbancia del sobrenadante disminuye en un 11% con respecto a la solución inicial de Hb (0,8 g l-1) y al aumentar en un 50% la concentración de Nps, el valor disminuye hasta un 17%. Al incrementar la temperatura de 25 a 35ºC disminuye la adsorción de la Hb pero no se observa indicios de desnaturalización de la misma. Durante la etapa de remoción del complejo Fe3O4/TiO2-Hb, al incrementar la fuerza magnética se logra una caída en la intensidad de la absorbancia, casi un 30%. Finalmente, se determinó la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) de la solución inicial de Hb y del sobrenandante, el valor para la solución inicial de Hb fue de 100 mg ml-1 y los resultados obtenidos para todas las soluciones tratadas fueron inferiores (62 mg ml-1) verificando el impacto que tuvo el uso de las Nps magnéticas de Fe3O4/TiO2 en la remoción de la Hb.

Simulación de un enlace óptico WDM (Wavelength Division Multiplexing) utilizando POFs (Polymer Optical Fiber) en el espectro de luz visible

En este proyecto se analizaron las características y el modo de operación de las fibras ópticas plásticas en un enlace óptico WDM (Wavelenght Division Multiplexing) operando en el espectro visible. Se estudiaron los componentes activos y pasivos necesarios para el enlace, como son las fuentes LED, multiplexores, filtros y acopladores. Se analizaron los efectos no lineales que se pueden presentar en la fibra óptica, y que son importantes de considerar al transmitir señales WDM. Para respaldar el análisis se simuló en MATLAB un enlace óptico en el dominio de la frecuencia utilizando fuentes LED que emiten en el espectro visible, junto con multiplexores WDM, filtros de absorción, acopladores y como medio de transmisión la Fibra Óptica Plástica (POF -Plastic Optical Fiber).

Reduced graphene oxide wrapped Cu2O supported on C3N4: An efficient visible light responsive semiconductor photocatalyst

Herein, Cu 2O spheres were prepared and encapsulated with reduced graphene oxide (rGO). The Cu 2O–rGO–C3N4 composite covered the whole solar spectrum with significant absorption intensity. rGO wrapped Cu 2O loading caused a red shift in the absorption with respect to considering the absorption of bare C3N4. The photoluminescence study confirms that rGO exploited as an electron transport layer at the interface of Cu 2O and C3N4 heterojunction. Utmost, ∼2 fold synergistic effect was achieved with Cu 2O–rGO–C3N4 for the photocatalytic reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol in comparison with Cu 2O–rGO and C3N4. The Cu 2O–rGO–C3N4 photocatalyst was reused for four times without loss in its activity.

In Situ Characterization of Optical Absorption by Carbonaceous Aerosols: Calibration and Measurement

Light absorption by aerosols has a great impact on climate change. A Photoacoustic spectrometer (PA) coupled with aerosol-based classification techniques represents an in situ method that can quantify the light absorption by aerosols in a real time, yet significant differences have been reported using this method versus filter based methods or the so-called difference method based upon light extinction and light scattering measurements. This dissertation focuses on developing calibration techniques for instruments used in measuring the light absorption cross section, including both particle diameter measurements by the differential mobility analyzer (DMA) and light absorption measurements by PA. Appropriate reference materials were explored for the calibration/validation of both measurements. The light absorption of carbonaceous aerosols was also investigated to provide fundamental understanding to the absorption mechanism. The first topic of interest in this dissertation is the development of calibration nanoparticles. In this study, bionanoparticles were confirmed to be a promising reference material for particle diameter as well as ion-mobility. Experimentally, bionanoparticles demonstrated outstanding homogeneity in mobility compared to currently used calibration particles. A numerical method was developed to calculate the true distribution and to explain the broadening of measured distribution. The high stability of bionanoparticles was also confirmed. For PA measurement, three aerosol with spherical or near spherical shapes were investigated as possible candidates for a reference standard: C60, copper and silver. Comparisons were made between experimental photoacoustic absorption data with Mie theory calculations. This resulted in the identification of C60 particles with a mobility diameter of 150 nm to 400 nm as an absorbing standard at wavelengths of 405 nm and 660 nm. Copper particles with a mobility diameter of 80 nm to 300 nm are also shown to be a promising reference candidate at wavelength of 405 nm. The second topic of this dissertation focuses on the investigation of light absorption by carbonaceous particles using PA. Optical absorption spectra of size and mass selected laboratory generated aerosols consisting of black carbon (BC), BC with non-absorbing coating (ammonium sulfate and sodium chloride) and BC with a weakly absorbing coating (brown carbon derived from humic acid) were measured across the visible to near-IR (500 nm to 840 nm). The manner in which BC mixed with each coating material was investigated. The absorption enhancement of BC was determined to be wavelength dependent. Optical absorption spectra were also taken for size and mass selected smoldering smoke produced from six types of commonly seen wood in a laboratory scale apparatus.

Foto-oxidación de bisfenol A bajo la acción de luz visible: el monitoreo de oxígeno disuelto como evidencia de la degradación

Propósito y Método del Estudio: El semiconductor más utilizado para su uso en fotocatálisis es el TiO2 debido a sus características como bajo costo, inocuidad y eficiencia fotocatalítica; alguno de los inconvenientes del uso de este material es su capacidad de activarse con radiación UV. En el presente trabajo se modificó al catalizador TiO2 con N a través del método de síntesis coloidal con el propósito de hacerlo fotoactivo bajo radiación visible; se sintetizaron catalizadores modificados a diferentes cantidades teóricas de nitrógeno, los cuales se caracterizaron morfológica y estructuralmente; posteriormente se evaluó la actividad fotocatalítica, bajo radiación visible con una solución de Bisfenol A realizando el seguimiento de la degradación fotocatalítica mediante espectroscopia UV-Vis y cromatografía de líquidos de alta resolución acoplado a espectrometría de masas (HPLC-MS). Contribuciones y Conclusiones: los resultados confirmaron que la incorporación de Nitrógeno al TiO2 provoca cambios en la cristalinidad, morfología y área superficial, así como en su actividad con radiación visible. La evolución fotocatalitica demostró que el catalizador modificado con 5% fue el que presento mayor eficiencia en la degradación de Bisfenol A.

Cinétique de photolyse d’oxydes d’azote sous rayonnement UV

Le smog photochimique est un phénomène qui prend de l'ampleur dans les grandes villes industrialisées. Il est la cause de plusieurs maladies respiratoires. Son apparition provient majoritairement des polluants émis par les véhicules automobiles, soit les hydrocarbures et les oxydes d'azote. Le rayonnement du soleil interagit avec ces espèces chimiques et le dioxygène présent dans l'atmosphère pour mener à une production d'ozone troposphérique importante. L'ozone en basse altitude endommage les écosystèmes et est nocif pour la santé humaine. Le sujet de recherche est d'abord axé sur la réaction limitante du processus qui crée le smog photochimique : la photolyse du dioxyde d'azote. Quoique cette réaction est assez bien connue dans la littérature en phase gazeuse, les données expérimentales en phase condensée sont manquantes. Les travaux ont été effectués dans le but de combler le manque d'information à ce sujet. En premier lieu, les conditions optimales pour l'isolation du NO[indice inférieur 2] par matrice de gaz rare ont été déterminées. Par la suite, l'irradiation des échantillons du mélange NO[indice inférieur 2] et gaz rare a été effectuée. Par spectroscopie infrarouge à angle rasant, il a été possible de suivre l'évolution de la destruction des molécules de NO[indice inférieur 2] en fonction du temps. Différentes hypothèses sont émises afin d'interpréter les données de cinétique obtenues. Ces hypothèses sont alors testées à partir d'expériences sous-jacentes ou expliquées selon des principes théoriques. Finalement, un modèle exprimant le profil du champ électrique à l'intérieur de films minces a été construit. Ce modèle s'inspire des effets d'interférences observés par spectroscopie d'absorption-réflexion. En guise de conclusion, une proposition d'expérience pour supporter le modèle du champ électrique est décrite. La portée du modèle s'étend à tous les processus impliquant un rayonnement lumineux sur une surface réfléchissante. Bien qu'il serve principalement à expliquer le taux de photolyse observé dans le cadre du projet de maîtrise, le modèle est applicable à plusieurs spectroscopies en réflexion.

BODIPY-Porphyrazin-Hybride als panchromatische Lichtsammelsysteme für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) spielen Chromophore, die als Lichtsammel- und Energie-/Elektronentransfersysteme fungieren, eine zentrale Rolle. Phthalocyanine mit ihren intensiven Absorptionsbanden um 400 nm und 700 nm besitzen großes Potential für die effektive Sensibilisierung von Solarzellen. Trotz ihrer vielversprechenden physikochemischen Eigenschaften und intensiver Bemühungen erreichen Phthalocyanin-sensibilisierte Solarzellen nicht die Effizienzen, die bisher mit anderen Chromophorklassen erzielt werden konnten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung effizienter Lichtsammelsysteme für DSSC auf der Basis von Aza-substituierten Phthalocyaninen, sogenannten Pyrazinoporphyrazinen, verfolgt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einer Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Chromophore im Bereich ihrer intrinsischen Absorptionslücke zwischen den Maxima um 400 nm und 700 nm. Um diese optische Lücke zu schließen wurden komplementär absorbierende BODIPY-Farbstoffe kovalent an synthetisch maßgeschneiderte Porphyrazine gebunden. Insgesamt wurden sechs neue Porphyrazin-Sensibilisatoren synthetisiert und photophysikalisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Alle in dieser Arbeit untersuchten Porphyrazine tragen sterisch anspruchsvolle Tri(p-tolyl)propinyl-Gruppen um Agglomerationen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden die Porphyrazine peripher entweder mit Hydroxy- oder Carboxygruppen als Bindungsstellen für oxidische Materialien ausgestattet sowie mit sechs BODIPY-Auxiliarfarbstoffen funktionalisiert, deren Substitutionsmuster variiert wurden. Zur Darstellung der komplexen Porphyrazine wurde eine Syntheseroute erarbeitet, die statistische Cyclisierungen unterschiedlicher Dinitril-Vorstufen beinhaltete und es ermöglichte, funktionelle Gruppen erst am vorgeformten Makrocyclus einzuführen. Die photophysikalische Untersuchung der hochfunktionalisierten Farbstoffe erfolgte über UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie. Im Fall der BODIPY-Porphyrazin-Hybride schließt die zusätzliche Absorptionsbande der peripheren BODIPY-Einheiten die intrinsische Absorptionslücke der Porphyrazine. Die Hybride zeigen somit eine breite Absorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich mit hohen Extinktionskoeffizienten von ca. 4·10^5 M^−1cm^−1. Mittels Fluoreszenz- und Anregungsspektren wurde ein photoinduzierter Energie-transfer von den BODIPY-Einheiten auf den Porphyrazinkern nachgewiesen. Das elektrochemische Verhalten der BODIPY- und Porphyrazin-Verbindungen wurde mittels Cyclo- und Square-Wave-Voltammetrie untersucht. Die Effizienzen der Lichtenergieumwandlung wurden mit Hilfe von selbst-hergestellten und standardisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen bewertet. Alle Solarzellen zeigten eine messbare Photoaktivität unter Bestrahlung. Die Wirkungsgrade der Zellen lagen jedoch alle unter 1 %. Generell führten die Carboxyl-funktionalisierten Porphyrazine zu besseren Wirkungsgraden als die analogen, mit der tripodalen Ankergruppe ausgestatteten Derivate. Die mit Hilfe von Adsorptionsisothermen ermittelten Bindungskonstanten der Adsorption der Farbstoffe auf der TiO2-Oberfläche zeigten, dass beide Hafteinheiten eine feste Verankerung der Chromophore auf den TiO2-Elektroden ermöglichten. Insgesamt wirkte sich die Präsenz der peripheren BODIPY-Farbstoffe positiv auf die Wirkungsgrade der Solarzellen aus, jedoch nur in geringem Maß. Dieses Ergebnis wurde hauptsächlich auf die geringe Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante des TiO2 und den LUMO-Energieniveaus der Chromophore zurückgeführt. Zusätzlich scheinen konkurrierende Prozesse wie die direkte Photoelektroneninjektion von den BODIPY-Einheiten in das TiO2 eine wichtige Rolle zu spielen. Neben der Anwendung in DSSC wurde die Wechselwirkung der Porphyrazine mit Graphen untersucht. Hierzu wurden A3B-Porphyrazine mit Pyrenyl-Seitenketten ausgestattet, die eine nicht-kovalente Verankerung des Chromophors auf Graphen ermöglichen. UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen gaben u.a. erste Hinweise auf eine elektronische Kommunikation zwischen den beiden Hybridpartnern.

Retrieval of atmospheric trace gases from DOAS/MAX-DOAS ground-based spectra

The study of the atmospheric chemical composition is crucial to understand the climate changes that we are experiencing in the last decades and to monitor the air quality over industrialized areas. The Multi-AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS) ground-based instruments are particularly suitable to derive the concentration of some trace gases that absorb the Visible (VIS) and Ultra-Violet (UV) solar radiation. The zenith-sky spectra acquired by the Gas Analyzer Spectrometer Correlating Optical Differences / New Generation 4 (GASCOD/NG4) instrument are exploited to retrieve the NO2 and O3 total Vertical Column Densities (VCDs) over Lecce. The results show that the NO2 total VCDs are significantly affected by the tropospheric content, consequence of the anthropogenic activity. Indeed, they present systematically lower values during Sunday, when less traffic is generally present around the measurement site, and during windy days, especially when the wind direction measured at 2 m height is not from the city of Lecce. Another MAX-DOAS instrument (SkySpec-2D) is exploited to create the first Italian MAX-DOAS site compliant to the Fiducial Reference Measurements for DOAS (FRM4DOAS) standards, in San Pietro Capofiume (SPC), located in the middle of the Po Valley. After the assessment of the SkySpec-2D’s performances through two measurement campaigns taken place in Bologna and in Rome, SkySpec-2D is installed in SPC on the 1st October 2021. Its MAX-DOAS spectra are used to retrieve the NO2 and O3 total VCDs, and aerosol extinction and NO2 tropospheric vertical profiles over the Po Valley exploiting the Bremen Optimal estimation REtrieval for Aerosol and trace gaseS (BOREAS) algorithm. Promising results are found, with high correlations against both in-situ and satellite data. In the future, these data will play an important role for air quality studies over the Po Valley and for satellite validation purposes.

Nanocomposites based on poly(caprolactone)-chitosan electrospun nanofibers and metallic oxide nanoparticles. Their potential use to adsorption and photocatalytic degradation of organic contaminants

Pollution of water bodies is one of the most common environmental problems today. Organic pollutants are one of the main drawbacks in this natural resource, among which the following stand out long-lived dyes, pharmaceuticals, and pesticides. This research aims at obtaining nanocomposites based on polycaprolactone-chitosan (PCL-CS) electrospun nanofibers (NFs) containing TiO2 nanoparticles (NPs) for the adsorption and photocatalytic degradation of organic pollutants, using Rhodamine B as a model. The fabricated hybrid materials were characterized by FT-IR, TGA, DSC, SEM, TEM, tensile properties, and the contact angle of water drops. The photoactivity of the NFs was investigated using a batch-type system by following UV-Vis absorbance and fluorescence of rhodamine B (RhB). For this purpose, TiO2NPs were successfully ex-situ incorporated into the polymer matrix promoting good mechanical properties and higher hydrophilicity of the material. The results showed that CS in the NFs increased the absorption and degradation of RhB by the TiO2NPs. CS attracted the pollutant molecules to the active sites vicinity of TiO2NPs, favoring initial adsorption and degradation. In other words, a bait-hook-and-destroy effect was evidenced. It also was demonstrated that the sensitization of TiO2 by organic dyes (e.g., perylene derivative) considerably improves the photocatalytic activity under visible radiation, allowing the use of low amounts of TiO2. (≈0.05 g/1 g of fiber). Hence, the current study is expected to contribute with an environmentally friendly green alternative solution.

Lawsonia Inermis-mediated Synthesis Of Silver Nanoparticles: Activity Against Human Pathogenic Fungi And Bacteria With Special Reference To Formulation Of An Antimicrobial Nanogel.

Lawsonia inermis mediated synthesis of silver nanoparticles (Ag-NPs) and its efficacy against Candida albicans, Microsporum canis, Propioniabacterium acne and Trichophyton mentagrophytes is reported. A two-step mechanism has been proposed for bioreduction and formation of an intermediate complex leading to the synthesis of capped nanoparticles was developed. In addition, antimicrobial gel for M. canis and T. mentagrophytes was also formulated. Ag-NPs were synthesized by challenging the leaft extract of L. inermis with 1 mM AgNO₃. The Ag-NPs were characterized by Ultraviolet-Visible (UV-Vis) spectrophotometer and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Transmission electron microscopy (TEM), nanoparticle tracking and analysis sytem (NTA) and zeta potential was measured to detect the size of Ag-NPs. The antimicrobial activity of Ag-NPs was evaluated by disc diffusion method against the test organisms. Thus these Ag-NPs may prove as a better candidate drug due to their biogenic nature. Moreover, Ag-NPs may be an answer to the drug-resistant microorganisms.