Sn@Pt and Rh@Pt core–shell nanoparticles synthesis for glycerol oxidation

The development and optimization of electrocatalysts for application in fuel cell systems have been the focus of a variety of studies where core–shell structures have been considered as a promising alternative among the materials studied. We synthesized core–shell nanoparticles of Sn x @Pt y and Rh x @Pt y (Sn@Pt, Sn@Pt2, Sn@Pt3, Rh@Pt, Rh@Pt2, and Rh@Pt3) through a reduction methodology using sodium borohydride. These nanoparticles were electrochemically characterized by cyclic voltammetry and further analyzed by cyclic voltammetry studying their catalytic activity toward glycerol electro-oxidation; chronoamperometry and potentiostatic polarization experiments were also carried out. The physical characterization was carried out by X-ray diffraction, energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and transmission electron microscopy. The onset potential for glycerol oxidation was shifted in 130 and 120 mV on the Sn@Pt3/C and Rh@Pt3/C catalysts, respectively, compared to commercial Pt/C, while the stationary pseudo-current density, taken at 600 mV, increased 2-fold and 5-fold for these catalysts related to Pt/C, respectively. Thus, the catalysts synthesized by the developed methodology have enhanced catalytic activity toward the electro-oxidation of glycerol, representing an interesting alternative for fuel cell systems.

Platinum–rhodium–tin/carbon electrocatalysts for ethanol oxidation in acid media: effect of the precursor addition order and the amount of tin

Carbon-supported Pt x –Rh y –Sn z catalysts (x:y:z = 3:1:4, 6:2:4, 9:3:4) are prepared by Pt, Rh, and Sn precursors reduction in different addition order. The materials are characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy techniques and are evaluated for the electrooxidation of ethanol in acidic media by cyclic voltammetry, chronoamperometry, and anode potentiostatic polarization. The influence of both the order in which the precursors are added and the composition of metals in the catalysts on the electrocatalytic activity and physico-chemical characteristics of Pt x –Rh y –Sn z /C catalysts is evaluated. Oxidized Rh species prevail on the surface of catalysts synthesized by simultaneous co-precipitation, thus demonstrating the influence of synthesis method on the oxidation state of catalysts. Furthermore, high amounts of Sn in composites synthesized by co-precipitation result in very active catalysts at low potentials (bifunctional effect), while medium Sn load is needed for sequentially deposited catalysts when the electronic effect is most important (high potentials), since more exposed Pt and Rh sites are needed on the catalyst surface to alcohol oxidation. The Pt3–Rh1–Sn4/C catalyst prepared by co-precipitation is the most active at potentials lower than 0.55 V (related to bifunctional effect), while the Pt6–Rh2–Sn4/C catalyst, prepared by sequential precipitation (first Rh and, after drying, Pt + Sn), is the most active above 0.55 V.

Electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN films and nanostructures grown directly on Si(111)

Pronounced electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN layers and nanostructures directly grown on Si by plasma-assisted molecular beam epitaxy is demonstrated. The oxidation enhancement, probed with the ferro/ferricyanide redox couple increases with In content and proximity of nanostructure surfaces and sidewalls to the c-plane. This is attributed to the corresponding increase of the density of intrinsic positively charged surface donors promoting electron transfer. Strongest enhancement is for c-plane InGaN layers functionalized with InN quantum dots (QDs). These results explain the excellent performance of our InN/InGaN QD biosensors and water splitting electrodes for further boosting efficiency.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

Chemiluminescence DNA-based Nanotechnologies for Bioanalytical Applications

DNA as powerful building molecule, is widely used for the assembly of molecular structures and dynamic molecular devices with different potential applications, ranging from synthetic biology to diagnostics. The feature of sequence programmability, which makes it possible to predict how single stranded DNA molecules fold and interact with one another, allowed the development of spatiotemporally controlled nanostructures and the engineering of supramolecular devices. The first part of this thesis addresses the development of an integrated chemiluminescence (CL)-based lab-on-chip sensor for detection of Adenosine-5-triphosphate (ATP) life biomarker in extra-terrestrial environments.Subsequently, we investigated whether it is possible to study the interaction and the recognition between biomolecules and their targets, mimicking the intracellular environment in terms of crowding, confinement and compartmentalization. To this purpose, we developed a split G-quadruplex DNAzyme platform for the chemiluminescent and quantitative detection of antibodies based on antibody-induced co-localization proximity mechanism in which a split G-quadruplex DNAzyme is led to reassemble into the functional native G-quadruplex conformation as the effect of a guided spatial nanoconfinement.The following part of this thesis aims at developing chemiluminescent nanoparticles for bioimaging and photodynamic therapy applications.In chapter5 a realistic and accurate evaluation of the potentiality of electrochemistry and chemiluminescence (CL) for biosensors development (i.e., is it better to “measure an electron or a photon”?), has been achieved.In chapter 6 the emission anisotropy phenomenon for an emitting dipole bound to the interface between two media with different refractive index has been investigated for chemiluminescence detection.

Sintesi e caratterizzazione di batterie tipo rocking chair basate sugli analoghi del blu di Prussia

La rapida espansione del mercato delle batterie incalza lo sviluppo di materiali elettrodici basati su elementi largamente disponibili sulla crosta terrestre, rispettosi dell'ambiente ed economicamente sostenibili. Nel presente elaborato si effettua lo studio di elettrodi basati sugli analoghi del blu di Prussia (PBA) come una classe di composti inorganici che presenta diverse proprietà elettrochimiche adatte per applicazioni legate all’energy storage. A tal riguardo, la sintesi del PBA ferro esacianocobaltato (FeHCC) è stata effettuata mediante un metodo di coprecipitazione semplice e poco costoso. L’utilizzo di tecniche analitiche quali XAS, PXRD, MP-AES e TGA ha permesso di ricavare la composizione del ferro esacianocobaltato, dell'esacianoferrato di titanio e del manganese esacianoferrato nonché diverse informazioni di carattere strutturale. In seguito, le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi sono state valutate mediante voltammetria ciclica, utilizzando come agenti intercalanti gli ioni K+ e Na+ contenuti nel relativo elettrolita acquoso.Infine, grazie ai dati così ottenuti, è stato possibile assemblare e testare diversi layout di coin cell in configurazione rocking chair completamente basate su elettrodi PBA; anche in questo caso, la voltammetria ciclica e le tecniche galvanostatiche sono state utilizzate per valutare le prestazioni elettrochimiche e raccogliere informazioni sulla capacità gravimetrica ottenibile da questi dispositivi.

Thermodynamics of hydrogen absorption in Mg thin films and multilayers studied by electrochemical method

Electrochemical hydrogen loading is a technique used to produce and study the hydrogenation in metals starting from a liquid solution containing water. It is a possible alternative to another, well-established technique which loads hydrogen starting from its gas phase. In this work, the electrochemical method is used to understand the fundamental thermodynamics of hydrogen loading in constraint systems such as thin films on substrates, and possibly distinguish the role of interfaces, stresses and microstructure during the hydrogenation process. The systems under study are thin films of Pd, Mg/Pd, and Ti/Mg multilayers. Possible future technological applications may be in the field of hydrogen storage and hydrogen sensors. Towards the end, the experimental setup is modified by introducing an automatic relay. This change leads to improvements in the data analysis and in the attainable information on the kinetics of the systems.