Active sites on hydrogen evolution photocatalyst

Solar hydrogen production assisted with semiconductor materials is a promising way to provide alternative energy sources in the future. Such a photocatalytic reaction normally takes place on the active sites of the catalysts surface, and the identification of the active sites is crucial for understanding the photocatalytic reaction mechanism and further improving the photocatalytic efficiency. However, the active sites of model catalysts are still largely disputed because of their structural complexity. Conventionally, H-2 evolution from solar water splitting over Pt/TiO2 is widely deemed to take place on metallic Pt nanoparticles. Oppositely, we report through a combined experimental and theoretical approach, that metallic Pt nanoparticles have little contribution to the activity of photocatalytic H-2 evolution; the oxidized Pt species embedded on the TiO2 surface are the key active sites and primarily responsible for the activity of the hydrogen evolution Pt/TiO2 photocatalyst.

High temperature thermal stability studies of ultrathin Al2O3 layers deposited on native oxide and sulphur passivated InGaAs surfaces

High resolution synchrotron radiation core level photoemission measurements have been used to undertake a comparative study of the high temperature stability of ultrathin Al2O3 layers deposited by atomic layer deposition (ALD) on both sulphur passivated and native oxide covered InGaAs. The residual interfacial oxides between sulphur passivated InGaAs and the ultrathin Al2O3 layer can be substantially removed at high temperature (up to 700 °C) without impacting on the InGaAs stoichiometry while significant loss of indium was recorded at this temperature on the native oxide InGaAs surface.

Effect of nanosilica addition on the fresh properties and shrinkage of mortars with fly ash and superplasticizer

The ongoing use of various mineral additions along with chemical admixtures such as superplasticizers justifies the need for further research. Understanding and quantifying their effects and possible synergies on the fresh and hardened properties of cement-based materials is necessary, especially if some of these components are known to have a pozzolanic effect. This paper describes and models the fresh and hardened properties of cement mortars including nanosilica and fly ash, and relates their properties to the proportioning of these materials and the superplasticizer dosage. Mini-slump, Marsh cone and Lombardi cone tests were used to examine the properties of the fresh mortars, and to assess density, plastic shrinkage, and drying shrinkage up to 20 days. The equations presented in this paper make it possible to optimize mortar proportionings to the required levels of performance in both fresh and hardened states.

In situ synthesis of LiV3O8 nanorods on graphene as high rate-performance cathode materials for rechargeable lithium batteries

We developed a facile two-step hydrothermal procedure to prepare hybrid materials of LiV₃O₈ nanorods on graphene sheets. The special structure endows them with the high-rate transportation of electrolyte ions and electrons throughout the electrode matrix, resulting in remarkable electrochemical performance when they were used as cathodes in rechargeable lithium batteries. © 2013 The Royal Society of Chemistry.

Design and results of a dual-gas Quasi-Phase matching (QPM) foil target

Quasi-phase matching (QPM) can be used to increase the conversion efficiency of the high harmonic generation (HHG) process. We observed QPM with an improved dual-gas foil target with a 1 kHz, 10 mJ, 30 fs laser system. Phase tuning and enhancement were possible within a spectral range from 17 nm to 30 nm. Furthermore analytical calculations and numerical simulations were carried out to distinguish QPM from other effects, such as the influence of adjacent jets on each other or the laser gas interaction. The simulations were performed with a 3 dimensional code to investigate the phase matching of the short and long trajectories individually over a large spectral range.

Ionothermal Syntheses of Nano- and Microstructured Ternary Copper–Indium–Chalcogenides

Ternary compounds of copper indium selenide nano- and microsized materials were prepared through colloidal synthesis using an indium(III) selenide precursor and copper(I) chloride via a microwave-assisted ionothermal route. The indium(III) selenide precursor used in the reaction was formed in situ from a diphenyl diselenide precursor and chloroindate(III) ionic liquids (ILs), also via a microwave-assisted ionothermal route. The crystal structures of three intermediates, namely, CuCl2(OMe)2(H2O)){Cu(PhSeO2)2}n, [CuCl(Se2Ph2)2]n, and [C8mim]3{Cu(I)Cl2Cu(II)OCl8}n, were determined after formation through a ionothermal procedure utilizing metal-containing imidazolium ILs and a selenium precursor with conventional heating. Herein, we compare the use of microwave irradiation over conventional heating with different ILs on the stoichiometry of the resulting products. The influence of the reaction temperature, reaction time, order of addition of reagents, and variation of ILs, which were characterized using PXRD, SEM, and EDX, on the final products was investigated.

Influence of service loading and the resulting micro-cracks on chloride resistance of concrete

Chloride-induced corrosion of steel in reinforced concrete structures is one of the main problems affecting their durability, but most previous research projects and case studies have focused on concretes without cracks or not subjected to any structural load. Although it has been recognised that structural cracks do influence the chloride transport and chloride induced corrosion in reinforced concrete structures, there is little published work on the influence of micro-cracks due to service loads on these properties. Therefore the effect of micro-cracks caused by loading on chloride transport into concrete was studied. Four different stress levels (0%, 25%, 50% and 75% of the stress at ultimate load – fu) were applied to 100 mm diameter concrete discs and chloride migration was measured using a bespoke test setup based on the NT BUILD 492 test. The effects of replacing Portland cement CEMI by ground granulated blast-furnace slag (GGBS), pulverised fuel ash (PFA) and silica fume (SF) on chloride transport in concrete under sustained loading were studied. The results have indicated that chloride migration coefficients changed little when the stress level was below 50% of the fu; however, it is desirable to keep concrete stress less than 25% fu if this is practical. The effect of removing the load on the change of chloride migration coefficient was also studied. A recovery of around 50% of the increased chloride migration coefficient was found in the case of concretes subjected to 75% of the fu when the load was removed.

A comparison of gold nanoparticle surface co-functionalization approaches using Polyethylene Glycol (PEG) and the effect on stability, non-specific protein adsorption and internalization

To create clinically useful gold nanoparticle (AuNP) based cancer therapeutics it is necessary to co-functionalize the AuNP surface with a range of moieties; e.g. Polyethylene Glycol (PEG), peptides and drugs. AuNPs can be functionalized by creating either a mixed monolayer by attaching all the moieties directly to the surface using thiol chemistry, or by binding groups to the surface by means of a bifunctional polyethylene glycol (PEG) linker. The linker methodology has the potential to enhance bioavailability and the amount of functional agent that can be attached. While there is a large body of published work using both surface arrangements independently, the impact of attachment methodology on stability, non-specific protein adsorption and cellular uptake is not well understood, with no published studies directly comparing the two most frequently employed approaches. This paper compares the two methodologies by synthesizing and characterizing PEG and Receptor Mediated Endocytosis (RME) peptide co-functionalized AuNPs prepared using both the mixed monolayer and linker approaches. Successful attachment of both PEG and RME peptide using the two methods was confirmed using Dynamic Light Scattering, Fourier Transform Infrared Spectroscopy and gel electrophoresis. It was observed that while the 'as synthesized' citrate capped AuNPs agglomerated under physiological salt conditions, all the mixed monolayer and PEG linker capped samples remained stable at 1M NaCl, and were stable in PBS over extended periods. While it was noted that both functionalization methods inhibited non-specific protein attachment, the mixed monolayer samples did show some changes in gel electrophoresis migration profile after incubation with fetal calf serum. PEG renders the AuNP stable in-vivo however, studies with MDA-MB-231 and MCF 10A cell lines indicated that functionalization with PEG, blocks cellular uptake. It was observed that co-functionalization with RME peptide using both the mixed monolayer and PEG linker methods greatly enhanced cellular internalization compared to PEG capped AuNPs.

Chalcogenide thin films for solar cells: growth and properties

Thin film solar cells have in recent years gained market quota against traditional silicon photovoltaic panels. These developments were in a large part due to CdTe solar panels on whose development started earlier than their competitors. Panels based on Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), despite being more efficient in a laboratory and industrial scale than the CdTe ones, still need a growth technology cheaper and easier to apply in industry. Although usually presented as a good candidate to make cheap panels, CIGS uses rare and expensive materials as In and Ga. The price evolution of these materials might jeopardize CIGS future. This thesis presents three different studies. The first is the study of different processes for the incorporation of Ga in a hybrid CIGS growth system. This system is based on sputtering and thermal evaporation. This technology is, in principle, easier to be applied in the industry and solar cells with efficiencies around to 7% were fully made in Aveiro. In the second part of this thesis, a new material to replace CIGS in thin film solar cells is studied. The growth conditions and fundamental properties of Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) were studied in depth. Suitable conditions of temperature and pressure for the growth of this material are reported. Its band gap energy was estimated at 1.05 eV and the Raman scattering peaks were identified. Solar cells made with this material showed efficiencies lower than 0.1%. Finally, preliminary work regarding the incorporation of selenium in Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films was carried out. The structural and morphological properties of thin films of Cu2ZnSn(S,Se)4 have been studied and the results show that the incorporation of selenium is higher in films with precursors rather with already formed Cu2SnS3 or Cu2ZnSnS4 thin films. A solar cell with 0.9 % of efficiency was prepared.

Radiation-induced defects in quantum-size structures of A3B5 semiconductors

As estruturas quânticas de semicondutores, nomeadamente baseadas em GaAs, têm tido nos últimos vinte anos um claro desenvolvimento. Este desenvolvimento deve-se principalmente ao potencial tecnológico que estas estruturas apresentam. As aplicações espaciais, em ambientes agressivos do ponto de vista do nível de radiação a que os dispositivos estão sujeitos, motivaram todo o desenrolar de estudos na área dos defeitos induzidos pela radiação. As propriedades dos semicondutores e dos dispositivos de semicondutores são altamente influenciadas pela presença de defeitos estruturais, em particular os induzidos pela radiação. As propriedades dos defeitos, os processos de criação e transformação de defeitos devem ser fortemente alterados quando se efectua a transição entre o semicondutor volúmico e as heteroestruturas de baixa dimensão. Este trabalho teve como principal objectivo o estudo de defeitos induzidos pela radiação em estruturas quânticas baseadas em GaAs e InAs. Foram avaliadas as alterações introduzidas pelos defeitos em estruturas de poços quânticos e de pontos quânticos irradiadas com electrões e com protões. A utilização de várias técnicas de espectroscopia óptica, fotoluminescência, excitação de fotoluminescência e fotoluminescência resolvida no tempo, permitiu caracterizar as diferentes estruturas antes e após a irradiação. Foi inequivocamente constatada uma maior resistência à radiação dos pontos quânticos quando comparados com os poços quânticos e os materiais volúmicos. Esta resistência deve-se principalmente a uma maior localização da função de onda dos portadores com o aumento do confinamento dos mesmos. Outra razão provável é a expulsão dos defeitos dos pontos quânticos para a matriz. No entanto, a existência de defeitos na vizinhança dos pontos quânticos promove a fuga dos portadores dos níveis excitados, cujas funções de onda são menos localizadas, provocando um aumento da recombinação nãoradiativa e, consequentemente, uma diminuição da intensidade de luminescência dos dispositivos. O desenvolvimento de um modelo bastante simples para a estatística de portadores fora de equilíbrio permitiu reproduzir os resultados de luminescência em função da temperatura. Os resultados demonstraram que a extinção da luminescência com o aumento da temperatura é determinada por dois factores: a redistribuição dos portadores minoritários entre os pontos quânticos, o poço quântico e as barreiras de GaAs e a diminuição na taxa de recombinação radiativa relacionada com a dependência, na temperatura, do nível de Fermi dos portadores maioritários.

Preparation of new materials by heterogeneous modification of cellulose

O presente trabalho teve como principal objectivo estudar a modificação química heterogénea controlada de fibras de celulose com diferentes reagentes de modo a alterar as suas propriedades de superfície, em especial em termos da criação de um carácter hidrofóbico e lipofóbico, preservando, sempre que possível, as suas propriedades mecânicas e, consequentemente, abrindo novas perspectivas de aplicação. O desenvolvimento do trabalho envolveu três abordagens principais, envolvendo, em cada caso, o estudo de diferentes condições reaccionais. Na primeira abordagem foram utilizados como reagentes de modificação compostos perfluorados, nomeadamente o anidrido trifluoroacético (TFAA), o cloreto de 2,3,4,5,6-pentafluorobenzoílo (PFBz) e o cloreto de 3,3,3- trifluoropropanoílo (TFP), para promover a acilação heterogénea da superfície das fibras. A segunda estratégia usada consistiu na preparação de híbridos de celulose do tipo orgânico-inorgânico classe-II, através da modificação das fibras de celulose com o (3-isocianatopropil)trietoxissilano (ICPTEOS), um reagente organossilano bifuncional. A ligação às fibras de celulose foi efectuada através das funções isocianato e, posteriormente, os grupos etoxissilano foram sujeitos a tratamentos de hidrólise ácida, como tal ou na presença de outros siloxanos, nomeadamente o tetraetoxissilano (TEOS) e o 1H,1H,2H,2Hperfluorodeciltrietoxissilano (PFDTEOS). Finalmente, a última abordagem foi baseada na modificação das fibras com triclorometilssilano (TCMS), através de uma reacção gás-sólido, que dispensou assim o uso de solventes orgânicos. A ocorrência de modificação química foi em cada caso confirmada por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier e Reflectância Total Atenuada (FTIR-ATR), Análise Elementar (EA) e determinação de ângulos de contacto. Adicionalmente, e dependendo de cada caso específico, diversas outras técnicas foram empregues na caracterização aprofundada dos materiais preparados, nomeadamente Ressonância Magnética Nuclear CPMAS no Estado Sólido (RMN), Espectroscopia de Difracção de Raios-X (XRD), Análise Termogravimétrica (TGA), Espectrometria de Massa de Iões Secundários com Análise de Tempo de Vôo (ToF-SIMS), Espectroscopia Fotoelectrónica de Raios-X (XPS) e Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM). Relativamente à acilação das fibras de celulose com reagentes perfluorados, o sucesso da reacção foi comprovado por FTIR-ATR, EA, XPS e ToF-SIMS. Neste contexto, obtiveram-se fibras modificadas possuindo graus de substituição (DS) compreendidos entre 0.006 e 0.39. Verificou-se por XRD que, em geral, mesmo para os valores de DS mais elevados, a cristalinidade das fibras não foi afectada, indicando que a modificação foi limitada às camadas mais superficiais das mesmas ou a regiões amorfas das suas camadas mais internas. Adicionalmente, observou-se por ToF-SIMS que a distribuição dos grupos perfluorados à superfície das fibras foi, de facto, bastante heterogénea. Todos os derivados de celulose perfluorados apresentaram elevada hidrofobicidade e lipofobicidade, tendo-se atingido ângulos de contacto com água e diiodometano de 126º e 104º, respectivamente. Um aspecto interessante relativo a estes materiais é que a elevada omnifobicidade foi observada mesmo para valores de DS muito reduzidos, não se mostrando significativamente afectada pelo aumento dos mesmos. Em consonância, verificou-se por XPS que a cobertura da superfície das fibras de celulose com grupos perfluorados aumentou apenas ligeiramente com o aumento do DS, apontando para a esterificação de camadas mais internas das fibras, associada, neste caso, predominantemente aos seus domínios amorfos. No que diz respeito à estabilidade hidrolítica destes derivados, obtiveram-se dois tipos distintos de comportamento. Por um lado, as fibras de celulose trifluoroacetiladas são facilmente hidrolisáveis em meio neutro, e, por outro, as fibras pentafluorobenzoiladas e trifluoropropanoiladas mostram-se bastante resistentes face a condições de hidrólise em meio neutro e ácido (pH 4), podendo, contudo, ser facilmente hidrolisadas em meio alcalino (pH 9 e 12, para derivados do PFBz e do TFP, respectivamente). Na segunda abordagem verificou-se a ocorrência de reacção por FTIR-ATR e EA. Em geral, a modificação química com ICPTEOS ocorre predominantemente nas zonas mais superficiais das fibras de celulose ou em regiões amorfas. Contudo, em condições reaccionais mais severas (maior quantidade de reagente e tempo de reacção), esta atingiu também regiões cristalinas, afectando, consequentemente, a estrutura cristalina das fibras, como verificado por XRD. Por RMN de 29Si observou-se que após reacção com o ICPTEOS já existiam indícios de alguma hidrólise dos grupos etoxissilano, e que a sua subsequente condensação parcial tinha levado à formação de uma película inorgânica em redor das fibras (verificado por SEM), constituída maioritariamente por estruturas lineares, com uma contribuição mais modesta de estruturas “diméricas” e outras mais ramificadas. Consequentemente, este revestimento inorgânico transformou as fibras de celulose em materiais híbridos com elevada hidrofobicidade (ângulos de contacto com água entre 103-129º). A hidrólise ácida dos restantes grupos etoxissilano, como tal ou na presença de TEOS, originou híbridos de celulose com elevada hidrofilicidade, sendo impossível medirem-se os ângulos de contacto com água dos produtos finais, devido à presença maioritária de grupos silanol (Si-OH) e ligações Si-O-Si à superfície, os quais contribuíram para o consequente aumento de energia de superfície. No entanto, quando a hidrólise foi realizada na presença de PFDTEOS, obtiveram-se materiais híbridos com elevada hidrofobicidade e lipofobicidade (ângulos de contacto com água e diiodometano de 140º e 134º, respectivamente), devido à combinação da presença de grupos perfluorados e micro- e nano-rugosidades na superfície das fibras de celulose, conforme confirmado por SEM. Finalmente, a última abordagem permitiu preparar materiais derivados de celulose altamente hidrofóbicos e lipofóbicos (ângulos de contacto com água e diiodometano de 136º e 109º, respectivamente) por um processo simples, envolvendo tempos de tratamento tão curtos como 0.5 min. Este comportamento omnifóbico foi gerado pelo efeito sinergético entre a diminuição de energia de superfície das fibras, devido à presença de grupos metilo dos resíduos de TCMS ligados a estas, e a condensação dos resíduos de TCMS na forma de micro- e nano-partículas inorgânicas, que levou à criação de um revestimento rugoso à superfície das fibras, conforme observado por RMN de 29Si e SEM, respectivamente. A pré-humidificação das fibras de celulose demonstrou desempenhar um importante papel de “acelerador” dos processos de hidrólise e condensação das moléculas de TCMS. Nestas condições, o tempo de tratamento foi um dos parâmetros mais relevantes, pois para tempos de tratamento muito curtos (0.5 min) os materiais resultantes não apresentaram quaisquer diferenças a nível de propriedades físico-químicas em relação ao substrato de partida (a humidade em excesso consumiu todo o TCMS antes que este conseguisse reagir com os grupos hidroxilo das fibras de celulose), possuindo, por exemplo, valores de ângulos de contacto com água idênticos. Para tempos de tratamento mais longos, como 30 min, os materiais finais apresentaram a maior quantidade de componentes inorgânicos, tal como verificado por EA e TGA. Assim, o controlo da humidade das fibras é imperativo para se poder moldar as propriedades finais dos produtos. Esta última abordagem é particularmente promissora uma vez que tem como base um sistema simples e “verde” que pode ser facilmente implementado. Em conclusão, este trabalho permitiu demonstrar que a modificação química heterogénea controlada das fibras de celulose representa uma iniciativa promissora para a preparação de novos materiais obtidos a partir de recursos renováveis, com propriedades interessantes e passíveis de ser potencialmente aplicados em diferentes áreas. Para além do mais, as estratégias de modificação estudadas podem também ser precursoras de novos estudos que possam vir a ser desenvolvidos dentro do mesmo âmbito.