Oxygen vacancy formation in CeO2 and Ce1-xZrxO2 solid solutions:electron localization, electrostatic potential and structural relaxation

Ceria (CeO2) and ceria-based composite materials, especially Ce1-xZrxO2 solid solutions, possess a wide range of applications in many important catalytic processes, such as three-way catalysts, owing to their excellent oxygen storage capacity (OSC) through the oxygen vacancy formation and refilling. Much of this activity has focused on the understanding of the electronic and structural properties of defective CeO2 with and without doping, and comprehending the determining factor for oxygen vacancy formation and the rule to tune the formation energy by doping has constituted a central issue in material chemistry related to ceria. However, the calculation on electronic structures and the corresponding relaxation patterns in defective CeO2-x oxides remains at present a challenge in the DFT framework. A pragmatic approach based on density functional theory with the inclusion of on-site Coulomb correction, i.e. the so-called DFT + U technique, has been extensively applied in the majority of recent theoretical investigations. Firstly, we review briefly the latest electronic structure calculations of defective CeO2(111), focusing on the phenomenon of multiple configurations of the localized 4f electrons, as well as the discussions of its formation mechanism and the catalytic role in activating the O-2 molecule. Secondly, aiming at shedding light on the doping effect on tuning the oxygen vacancy formation in ceria-based solid solutions, we summarize the recent theoretical results of Ce1-xZrxO2 solid solutions in terms of the effect of dopant concentrations and crystal phases. A general model on O vacancy formation is also discussed; it consists of electrostatic and structural relaxation terms, and the vital role of the later is emphasized. Particularly, we discuss the crucial role of the localized structural relaxation patterns in determining the superb oxygen storage capacity in kappa-phase Ce1-xZr1-xO2. Thirdly, we briefly discuss some interesting findings for the oxygen vacancy formation in pure ceria nanoparticles (NPs) uncovered by DFT calculations and compare those with the bulk or extended surfaces of ceria as well as different particle sizes, emphasizing the role of the electrostatic field in determining the O vacancy formation.

Assessment of Atomic Data: Problems and Solutions

For the reliable analysis and modeling of astrophysical, laser-produced, and fusion plasmas, atomic data are required for a number of parameters, including energy levels, radiative rates, and electron impact excitation rates. Such data are desired for a range of elements (H to W) and their many ions. However, measurements of atomic data, mainly for radiative and excitation rates, are not feasible for many species, and therefore, calculations are needed. For some ions (such as of C, Fe, and Kr), there is a variety of calculations available in the literature, but often, they differ significantly from one another. Therefore, there is a great demand from the user community to have data "assessed" for accuracy so that they can be confidently applied to the modeling of plasmas. In this paper we highlight the difficulties in assessing atomic data and offer some solutions for improving the accuracy of calculated results.

Influence of phosphate on the arsenic uptake by wheat (Triticum durum L.) irrigated with arsenic solutions at three different concentrations

In this study we have investigated the uptake and distribution of arsenic (As) and phosphate (P_i) in roots, shoots, and grain of wheat grown in an uncontaminated soil irrigated with solutions containing As at three different concentrations (0.5, 1 and 2 mg l^-1) and in the presence or in the absence of P fertilization. Arsenic in irrigation water reduced plants growth and decreased grain yield. When P_i was not added (P-), plants were more greatly impacted compared to the plus P_i (P+) treatments. The differences in mean biomass between P- and P+ treatments at the higher As concentrations demonstrated the role of P_i in preventing As toxicity and growth inhibition. Arsenic concentrations in root, shoot and grain increased with increasing As concentration in irrigation water. It appears that P fertilization minimizes the translocation of As to the shoots and grain whilst enhancing P status of plant. The observation that P fertilization minimises the translocation of arsenic to the shoots and grain is interesting and may be useful for certain regions of the world that has high levels of As in groundwater or soils. © 2008 Springer Science+Business Media B.V.

Solutions of fourth-order parabolic equation modeling thin film growth

In this paper we study the well-posedness for a fourth-order parabolic equation modeling epitaxial thin film growth. Using Kato's Method [1], [2] and [3] we establish existence, uniqueness and regularity of the solution to the model, in suitable spaces, namelyC⁰([0,T];L^p(Ω)) where  with 1<α<2, n∈N and n≥2. We also show the global existence solution to the nonlinear parabolic equations for small initial data. Our main tools are L_p–L_q-estimates, regularization property of the linear part of e^−tΔ2 and successive approximations. Furthermore, we illustrate the qualitative behavior of the approximate solution through some numerical simulations. The approximate solutions exhibit some favorable absorption properties of the model, which highlight the stabilizing effect of our specific formulation of the source term associated with the upward hopping of atoms. Consequently, the solutions describe well some experimentally observed phenomena, which characterize the growth of thin film such as grain coarsening, island formation and thickness growth.

Exact and numerical solutions for diffusio-reaction equations with convection term

Esta dissertação estuda essencialmente dois problemas: (A) uma classe de equações unidimensionais de reacção-difusão-convecção em meios não uniformes (dependentes do espaço), e (B) um problema elíptico não-linear e paramétrico ligado a fenómenos de capilaridade. A Análise de Perturbação Singular e a dinâmica de Hamilton-Jacobi são utilizadas na obtenção de expressões assimptóticas para a solução (com comportamento de frente) e para a sua velocidade de propagação. Os seguintes três métodos de decomposição, Adomian Decomposition Method (ADM), Decomposition Method based on Infinite Products (DIP), e New Iterative Method (NIM), são apresentados e brevemente comparados. Adicionalmente, condições suficientes para a convergência da solução em série, obtida pelo ADM, e uma aplicação a um problema da Telecomunicações por Fibras Ópticas, envolvendo EDOs não-lineares designadas equações de Raman, são discutidas. Um ponto de vista mais abrangente que unifica os métodos de decomposição referidos é também apresentado. Para subclasses desta EDP são obtidas soluções numa forma explícita, para diferentes tipos de dados e usando uma variante do método de simetrias de Bluman-Cole. Usando Teoria de Pontos Críticos (o teorema usualmente designado mountain pass) e técnicas de truncatura, prova-se a existência de duas soluções não triviais (uma positiva e uma negativa) para o problema elíptico não-linear e paramétrico (B). A existência de uma terceira solução não trivial é demonstrada usando Grupos Críticos e Teoria de Morse.

Geometric optimization on visibility problems: metaheuristic and exact solutions

Os problemas de visibilidade têm diversas aplicações a situações reais. Entre os mais conhecidos, e exaustivamente estudados, estão os que envolvem os conceitos de vigilância e ocultação em estruturas geométricas (problemas de vigilância e ocultação). Neste trabalho são estudados problemas de visibilidade em estruturas geométricas conhecidas como polígonos, uma vez que estes podem representar, de forma apropriada, muitos dos objectos reais e são de fácil manipulação computacional. O objectivo dos problemas de vigilância é a determinação do número mínimo de posições para a colocação de dispositivos num dado polígono, de modo a que estes dispositivos consigam “ver” a totalidade do polígono. Por outro lado, o objectivo dos problemas de ocultação é a determinação do número máximo de posições num dado polígono, de modo a que quaisquer duas posições não se consigam “ver”. Infelizmente, a maior parte dos problemas de visibilidade em polígonos são NP-difíceis, o que dá origem a duas linhas de investigação: o desenvolvimento de algoritmos que estabelecem soluções aproximadas e a determinação de soluções exactas para classes especiais de polígonos. Atendendo a estas duas linhas de investigação, o trabalho é dividido em duas partes. Na primeira parte são propostos algoritmos aproximados, baseados essencialmente em metaheurísticas e metaheurísticas híbridas, para resolver alguns problemas de visibilidade, tanto em polígonos arbitrários como ortogonais. Os problemas estudados são os seguintes: “Maximum Hidden Vertex Set problem”, “Minimum Vertex Guard Set problem”, “Minimum Vertex Floodlight Set problem” e “Minimum Vertex k-Modem Set problem”. São também desenvolvidos métodos que permitem determinar a razão de aproximação dos algoritmos propostos. Para cada problema são implementados os algoritmos apresentados e é realizado um estudo estatístico para estabelecer qual o algoritmo que obtém as melhores soluções num tempo razoável. Este estudo permite concluir que as metaheurísticas híbridas são, em geral, as melhores estratégias para resolver os problemas de visibilidade estudados. Na segunda parte desta dissertação são abordados os problemas “Minimum Vertex Guard Set”, “Maximum Hidden Set” e “Maximum Hidden Vertex Set”, onde são identificadas e estudadas algumas classes de polígonos para as quais são determinadas soluções exactas e/ou limites combinatórios.

Mercury (II) removal from aqueous solutions by microporous materials

O Mercúrio é um dos metais pesados mais tóxicos existentes no meio ambiente, é persistente e caracteriza-se por bioamplificar e bioacumular ao longo da cadeia trófica. A poluição com mercúrio é um problema à escala global devido à combinação de emissões naturais e emissões antropogénicas, o que obriga a políticas ambientais mais restritivas sobre a descarga de metais pesados. Consequentemente o desenvolvimento de novos e eficientes materiais e de novas tecnologias para remover mercúrio de efluentes é necessário e urgente. Neste contexto, alguns materiais microporosos provenientes de duas famílias, titanossilicatos e zirconossilicatos, foram investigados com o objectivo de avaliar a sua capacidade para remover iões Hg2+ de soluções aquosas. De um modo geral, quase todos os materiais estudados apresentaram elevadas percentagens de remoção, confirmando que são bons permutadores iónicos e que têm capacidade para serem utilizados como agentes descontaminantes. O titanossilicato ETS-4 foi o material mais estudado devido à sua elevada eficiência de remoção (>98%), aliada à pequena quantidade de massa necessária para atingir essa elevada percentagem de remoção. Com apenas 4 mg⋅dm-3 de ETS-4 foi possível tratar uma solução com uma concentração igual ao valor máximo admissível para descargas de efluentes em cursos de água (50 μg⋅dm-3) e obter água com qualidade para consumo humano (<1.0 μg⋅dm-3), de acordo com a legislação Portuguesa (DL 236/98). Tal como para outros adsorbentes, a capacidade de remoção de Hg2+ do ETS- 4 depende de várias condições experimentais, tais como o tempo de contacto, a massa, a concentração inicial de mercúrio, o pH e a temperatura. Do ponto de vista industrial as condições óptimas para a aplicação do ETS-4 são bastante atractivas, uma vez que não requerem grandes quantidades de material e o tratamento da solução pode ser feito à temperatura ambiente. A aplicação do ETS-4 torna-se ainda mais interessante no caso de efluentes hospitalares, de processos de electro-deposição com níquel, metalúrgica, extracção de minérios, especialmente ouro, e indústrias de fabrico de cloro e soda cáustica, uma vez que estes efluentes apresentam valores de pH semelhantes ao valor de pH óptimo para a aplicação do ETS-4. A cinética do processo de troca iónica é bem descrita pelo modelo Nernst-Planck, enquanto que os dados de equilíbrio são bem ajustados pelas isotérmicas de Langmuir e de Freundlich. Os parâmetros termodinâmicos, ΔG° and ΔH° indicam que a remoção de Hg2+ pelo ETS-4 é um processo espontâneo e exotérmico. A elevada eficiência do ETS-4 é confirmada pelos valores da capacidade de remoção de outros materiais para os iões Hg2+, descritos na literatura. A utilização de coluna de ETS-4 preparada no nosso laboratório, para a remoção em contínuo de Hg2+ confirma que este material apresenta um grande potencial para ser utilizado no tratamento de águas. ABSTRACT: Mercury is one of the most toxic heavy metals, exhibiting a persistent character in the environment and biota as well as bioamplification and bioaccumulation along the food chain. Natural inputs combined with the global anthropogenic sources make mercury pollution a planetary-scale problem, and strict environmental policies on metal discharges have been enforced. The development of efficient new materials and clean-up technologies for removing mercury from effluents is, thus, timely. In this context, in my study, several microporous materials from two families, titanosilicates and zirconosilicates were investigated in order to assess their Hg2+ sorption capacity and removal efficiency, under different operating conditions. In general, almost all microporous materials studied exhibited high removal efficiencies, confirming that they are good ion exchangers and have potential to be used as Hg2+ decontaminant agents. Titanosilicate ETS-4 was the material most studied here, by its highest removal efficiency (>98%) and lowest mass necessary to attain it. Moreover, according with the Portuguese legislation (DL 236/98) it is possible to attain drinking water quality (i.e. [Hg2+]< 1.0 μg⋅dm-3) by treating a solution with a Hg2+ concentration equal to the maximum value admissible for effluents discharges into water bodies (50 μg⋅dm-3), using only 4 mg⋅dm-3 of ETS-4. Even in the presence of major freshwater cations, ETS-4 removal efficiency remains high. Like for other adsorbents, the sorption capacity of ETS-4 for Hg2+ ions is strongly dependent on the operating conditions, such as contact time, mass, initial Hg2+ concentration and solution pH and, to a lesser extent, temperature. The optimum operating conditions found for ETS-4 are very attractive from the industrial point of view because the application of ETS-4 for the treatment of wastewater and/or industrial effluents will not require larges amounts of adsorbent, neither energy supply for temperature adjustments becoming the removal process economically competitive. These conditions become even more interesting in the case of medical institutions liquid, nickel electroplating process, copper smelter, gold ore tailings and chlor-alkali effluents, since no significant pH adjustments to the effluent are necessary. The ion exchange kinetics of Hg2+ uptake is successfully described by the Nernst-Planck based model, while the ion exchange equilibrium is well fitted by both Langmuir and Freundlich isotherms. Moreover, the feasibility of the removal process was confirmed by the thermodynamic parameters (ΔG° and ΔH°) which indicate that the Hg2+ sorption by ETS-4 is spontaneous and exothermic. The higher efficiency of ETS-4 for Hg2+ ions is corroborate by the values reported in literature for the sorption capacity of other adsorbents for Hg2+ ions. The use of an ETS-4 fixed-bed ion exchange column, manufactured in our laboratory, in the continuous removal of Hg2+ ions from solutions confirms that this titanosilicate has potential to be used in industrial water treatment.

A multi-attribute ranking solutions confirmation procedure

Ranking problems arise from the knowledge of several binary relations defined on a set of alternatives, which we intend to rank. In a previous work, the authors introduced a tool to confirm the solutions of multi-attribute ranking problems as linear extensions of a weighted sum of preference relations. An extension of this technique allows the recognition of critical preference pairs of alternatives, which are often caused by inconsistencies. Herein, a confirmation procedure is introduced and applied to confirm the results obtained by a multi-attribute decision methodology on a tender for the supply of buses to the Porto Public Transport Operator. © 2005 Springer Science + Business Media, Inc.