Oxygen reduction reaction mechanism on nitrogen-doped graphene:A density functional theory study

Nitrogen-doped graphene (N-graphene) was reported to exhibit a good activity experimentally as an electrocatalyst of oxygen reduction reaction (ORR) on the cathode of fuel cells under the condition of electropotential of similar to 0.04 V (vs. NNE) and pH of 14. This material is promising to replace or partially replace the conventionally used Pt. In order to understand the experimental results. ORR catalyzed by N-graphene is studied using density functional theory (DFT) calculations under experimental conditions taking the solvent, surface adsorbates, and coverages into consideration. Two mechanisms, i.e., dissociative and associative mechanisms, over different N-doping configurations are investigated. The results show that N-graphene surface is covered by O with 1/6 monolayer, which is used for reactions in this work. The transition state of each elementary step was identified using four different approaches, which give rise to a similar chemistry. A full energy profile including all the reaction barriers shows that the associative mechanism is more energetically favored than the dissociative one and the removal of O species from the surface is the rate-determining step. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

BUCKLED LAYER STRUCTURE FOR ATOMIC ADSORPTION ON W(100) - THE (ROOT-2X-ROOT-2)R45-DEGREES NITROGEN STRUCTURE FROM ATLEED

Adsorption of 0.5 monolayer of N adatoms on W{100} results in a sharp (root 2 X root 2)R45 degrees LEED pattern. The only previous quantitative LEED study of this system gave a simple overlayer model with a Pendry R-factor of 0.55. An exhaustive search has been made of possible structures, including a novel vacancy reconstruction, displacive reconstructions and underlayer adsorption. From this work a new overlayer structure is derived with an R(p) value of 0.22, displaying a considerable buckling of 0.27 +/- 0.05 Angstrom within the second W layer and consequently involving large changes in the interlayer spacings of the surface. The N adatom is pseudo-five-fold coordinated to the W surface, bonding to a second-layer W atom with a nearest-neighbour bond length of 2.13 Angstrom and with the four next-nearest-neighbour W atoms in the surface plane at 2.27 Angstrom. The structure does not resolve the work function anomaly observed on this surface.

Intraspecific variation in nitrogen source utilisation by isolates of the ericoid mycorrhizal fungus Hymenoscyphus Ericae (Read) Korf and Kernan

Variation in the abilities of 35 isolates of the ericoid mycorrhizal fungal endophyte Hymenoscyphus ericae from two field sites to utilise inorganic and organic nitrogen sources in axenic culture has been investigated. While most isolates showed a preference for NH₄/^- as a sole nitrogen source, considerable variation was observed in the abilities of isolates to utilise amino acids and protein (BSA). In particular, large intraspecific variation was observed for glutamine and BSA utilisation, with some isolates thriving on these substrates while others produced little growth. The data suggest that individual isolates of H. ericae may vary considerably in their abilities to supply their host plants with nitrogen from different substrates in soil. (C) 2000 Elsevier Science Ltd.

Organo-mineral complexation alters carbon and nitrogen cycling in stream microbial assemblages

Inland waters are of global biogeochemical importance receiving carbon inputs of ~ 4.8 Pg C y^-1. Of this 12 % is buried, 18 % transported to the oceans, and 70 % supports aquatic secondary production. However, the mechanisms that determine the fate of organic matter (OM) in these systems are poorly defined. One important aspect is the formation of organo-mineral complexes in aquatic systems and their potential as a route for OM transport and burial vs. their use potential as organic carbon (C) and nitrogen (N) sources. Organo-mineral particles form by sorption of dissolved OM to freshly eroded mineral surfaces and may contribute to ecosystem-scale particulate OM fluxes. We tested the availability of mineral-sorbed OM as a C & N source for streamwater microbial assemblages and streambed biofilms. Organo-mineral particles were constructed in vitro by sorption of ¹³C:¹⁵N-labelled amino acids to hydrated kaolin particles, and microbial degradation of these particles compared with equivalent doses of ¹³C:¹⁵N-labelled free amino acids. Experiments were conducted in 120 ml mesocosms over 7 days using biofilms and streamwater sampled from the Oberer Seebach stream (Austria), tracing assimilation and mineralization of ¹³C and ¹⁵N labels from mineral-sorbed and dissolved amino acids.Here we present data on the effects of organo-mineral sorption upon amino acid mineralization and its C:N stoichiometry. Organo-mineral sorption had a significant effect upon microbial activity, restricting C and N mineralization by both the biofilm and streamwater treatments. Distinct differences in community response were observed, with both dissolved and mineral-stabilized amino acids playing an enhanced role in the metabolism of the streamwater microbial community. Mineral-sorption of amino acids differentially affected C & N mineralization and reduced the C:N ratio of the dissolved amino acid pool. The present study demonstrates that organo-mineral complexes restrict microbial degradation of OM and may, consequently, alter the carbon and nitrogen cycling dynamics within aquatic ecosystems.

Carbon and nitrogen uptake of calcareous benthic foraminifera along a depth-related oxygen gradient in the OMZ of the Arabian Sea

Foraminifera are an important faunal element of the benthos in oxygen-depleted settings such as Oxygen Minimum Zones (OMZs) where they can play a relevant role in the processing of phytodetritus. We investigated the uptake of phytodetritus (labeled with 13C and 15N) by cal-careous foraminifera in the 0-1 cm sediment horizon under different oxygen concentrations within the OMZ in the eastern Arabian Sea. The in situ tracer experiments were carried out along a depth transect on the Indian margin over a period of 4 to 10 days. The uptake of phy-todetrital carbon within 4 days by all investigated species shows that phytodetritus is a rele-vant food source for foraminifera in OMZ sediments. The decrease of total carbon uptake from 540 to 1100 m suggests a higher demand for carbon by species in the low-oxygen core region of the OMZ or less food competition with macrofauna. Especially Uvigerinids showed high uptake of phytodetrital carbon at the lowest oxygenated site. Variation in the ratio of phytodetrital carbon to nitrogen between species and sites indicates that foraminiferal carbon and nitrogen use can be decoupled and different nutritional demands are found between spe-cies. Lower ratio of phytodetrital carbon and nitrogen at 540 m could hint for greater demand or storage of food-based nitrogen, ingestion or hosting of bacteria under almost anoxic condi-tions. Shifts in the foraminiferal assemblage structure (controlled by oxygen or food availabil-ity) and in the presence of other benthic organisms account for observed changes in the pro-cessing of phytodetritus in the different OMZ habitats. Foraminifera dominate the short-term processing of phytodetritus in the OMZ core but are less important in the lower OMZ bounda-ry region of the Indian margin as biological interactions and species distribution of foraminifera change with depth and oxygen levels.

Enhancement of Wear and Corrosion Resistance of Beta Titanium Alloy by Laser Gas Alloying with Nitrogen

The relatively high elastic modulus coupled with the presence of toxic vanadium (V) in Ti6Al4 V alloy has long been a concern in orthopaedic applications. To solve the problem, a variety of non-toxic and low modulus beta-titanium (beta-Ti) alloys have been developed. Among the beta-Ti alloy family, the quaternary Ti-Nb-Zr-Ta (TNZT) alloys have received the highest attention as a promising replacement for Ti6Al4 V due to their lower elastic modulus and outstanding long term stability against corrosion in biological environments. However, the inferior wear resistance of TNZT is still a problem that must be resolved before commercialising in the orthopaedic market. In this work, a newly-developed laser surface treatment technique was employed to improve the surface properties of Ti-35.3Nb-7.3Zr-5.7Ta alloy. The surface structure and composition of the laser-treated TNZT surface were examined by grazing incidence x-ray diffraction (GI-XRD) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The wear and corrosion resistance were evaluated by pin-on-plate sliding test and anodic polarisation test in Hanks’ solution. The experimental results were compared with the untreated (or base) TNZT material. The research findings showed that the laser surface treatment technique reported in this work can effectively improve the wear and corrosion resistance of TNZT.

Caracterização de novas membranas de titanossilicatos microporosos por ensaios de permeabilidade

O interesse crescente das membranas inorgânicas deve-se à potencial aplicação em novas áreas de investigação e da indústria, e em alternativa a operações mais convencionais. Em particular, as membranas de titanossilicatos oferecem vantagens importantes sobre as de zeólitos, pois podem ser sintetizadas sem agentes estruturantes orgânicos, para evitar a calcinação subsequente usualmente responsável por defeitos irreversíveis, exibem novas possibilidades de substituição isomórfica da matriz, permitindo um ajuste mais fino das propriedades catalíticas e de adsorção, e são capazes de separar misturas com base em diferenças de afinidade e tamanho molecular (efeito de peneiro). Os objectivos principais deste trabalho foram: i) a caracterização dinâmica de membranas do tipo zeolítico sintetizadas no Laboratório Associado CICECO, realizando-se experiências de permeação com gases puros e misturas; ii) o desenvolvimento e validação de novos modelos para a transferência de massa multicomponente através de membranas porosas pela abordagem de Maxwell-Stefan, tendo em conta os mecanismos específicos encontrados, particularmente a contribuição por difusão superficial; e iii) a modelação dos pontos experimentais medidos, bem como dados compilados da literatura. De forma a realizar os ensaios de permeação, desenhou-se, montou-se e testou-se uma instalação experimental. Para gases puros, os objectivos principais foram a medição de permeâncias a temperatura constante, por variação da pressão transmembranar r ( ΔP ), e de permeâncias a temperatura programada, conduzidas a ΔP constante. Seguidamente, calcularam-se as selectividades ideais. Em relação a misturas, a determinação de selectividades reais requer as fracções molares no permeado e no retido. Na globalidade, estudaram-se três suportes diferentes (aço inoxidável e α − alumina) e dezanove membranas de AM-3, ETS-10, ZSM-5 e zeólito 4A, utilizando-se H2, He, N2, CO2, e O2. A primeira avaliação exploratória da qualidade das membranas foi feita permeando azoto à temperatura ambiente. Assim, permeâncias superiores a 10−6 mol/m2s.Pa evidenciavam defeitos grosseiros, levando-nos a efectuar cristalizações adicionais sobre as primeiras camadas. Este procedimento foi implementado com oito membranas. Um trabalho experimental mais detalhado foi conduzido com cinco membranas. Membranas com curvas permeância-temperatura ( Π −T ) decrescentes indicam tipicamente transporte viscoso e de Knudsen, i.e. meso e macrodefeitos. Por exemplo, a membrana nº 3 de AM-3 exibiu este comportamento com H2, He, N2 e CO2 puros. A contribuição de Knudsen foi confirmada pela relação linear encontrada entre as permeâncias e o inverso da raiz quadrada da massa molar. O mecanismo viscoso foi também identificado, pois as permeâncias eram inversamente proporcionais à viscosidade do gás ou, atendendo a equações do tipo de Chapman-Enskog, directamente proporcionais a 2 0.5 k d M (onde k d é o diâmetro cinético e M a massa molar). Um comportamento de permeação distinto observou-se com a membrana nº 5 de AM-3. As permeâncias registadas a temperatura programada eram aproximadamente constantes para o N2, CO2 e O2, enquanto com o H2 cresciam significativamente. Conjuntamente elas evidenciam a ocorrência de macro, meso e microdefeitos intercristalinos. O transporte gasoso activado através dos microporos compensa o impacto diminuidor dos meso e macroporos. Ao contrário do N2, CO2 e O2, o pequeno diâmetro do hidrogénio torna-lhe possível permear através dos microporos intracristalinos, o que lhe adiciona um mecanismo de transferência responsável por esse crescimento. No que respeita à difusão superficial, o sistema CO2/ZSM-5 pode ser tomado como um exemplo paradigmático. Uma vez que este zeólito adsorve o CO2, as permeâncias diminuem com o crescimento de ΔP , em virtude de as concentrações no sólido aumentarem de forma não linear e tenderem para a saturação. Os resultados contrastantes obtidos com azoto realçam ainda mais o mecanismo superficial, pois o N2 não é adsorvido e as permeâncias medidas são constantes. Globalmente, as selectividades ideais calculadas ( α* ) variam de cerca de 1 a 4.2. Este parâmetro foi também utilizado para discriminar as melhores membranas, uma vez que baixos valores de α* denotam o escoamento viscoso não-selectivo típico de macrodefeitos. Por exemplo, o H2/CO2 na membrana nº 3 de AM-3 apresentou α* = 3.6 − 4.2 para 40–120ºC, enquanto que na membrana nº 5 de AM-3 originou α* = 2.6 − 3.1. Estes resultados corroboraram as observações anteriores, segundo as quais a membrana nº 5 era melhor do que a nº 3. Alguns ensaios foram realizados com membranas saturadas com água para aumentar a selectividade: as medições mostraram claramente uma melhoria inicial seguida de uma redução consistente de α* com o aumento da temperatura, devido à remoção das moléculas de água responsáveis pela obstrução de alguns poros. Em relação às selectividades reais de misturas contendo hidrogénio, devem ser realizadas mais experiências e a quantificação do hidrogénio deve ser melhorada. No que concerne à modelação, novos factores termodinâmicos de Maxwell- Stefan foram derivados para as isotérmicas mono e multicomponente de Nitta, Langmuir-Freundlich e Toth, tendo sido testadas com dados de equilíbrio e de permeação da literatura. (É importante realçar que só estão publicadas equações para Langmuir e Dual-Site Langmuir de componentes puros e misturas). O procedimento de validação adoptado foi exigente: i) as isotérmicas multicomponente foram previstas a partir das de gás puro; ii) os parâmetros de difusão dos componentes puros foram ajustados a dados de permeação de cada gás; iii) depois, as difusividades cruzadas de Maxwell- Stefan foram estimadas pela relação de Vignes; finalmente, v) as novas equações foram testadas usando-se estes parâmetros, tendo sido capazes de estimar com sucesso fluxos binários. Paralelamente ao enfoque principal do trabalho, derivou-se um novo modelo para permuta iónica em materiais microporosos baseado nas equações de Maxwell-Stefan. Este foi validado com dados experimentais de remoção de Hg2+ e Cd2+ de soluções aquosas usando ETS-4. A sua capacidade preditiva foi também avaliada, sendo possível concluir que se comporta muito bem. Com efeito, conseguiram-se boas previsões com parâmetros optimizados a partir de conjuntos de dados independentes. Este comportamento pode ser atribuído aos princípios físicos sólidos da teoria de Maxwell-Stefan.

Effect of nitrogen and potassium fertilisation on vegetative growth and flowering of mature carob trees (Ceratonia siliqua): variations in leaf area index and water use indices

This work aimed to assess how potassium (K) and nitrogen (N) fertilisation may affect the use of precipitation in terms of vegetative and flowering response of 15-year-old carob trees during a 3-year experiment. A field trial was conducted in 1997, 1998 and 1999 in Algarve (Southern Portugal) in a calcareous soil. Four fertilisation treatments were tested: no fertiliser (control); 0.8 kg N/tree (N treatment); 1 kg K 2 O/tree (K treatment) and 0.8 kg N/tree plus 1 kg K 2 O/tree (NK treatment). No irrigation was applied during the experimental period. Branch length increments were measured every month throughout the growing season and inflorescence number was registered once per year. There was a strong seasonal effect on vegetative growth, since low levels of precipitation (115 mm) during October 1998–March 1999 suppressed the increment in branch length. N supplied to the trees (N and NK treatments) tended to increase water use indices in terms of vegetative growth. No response to K alone was observed in trees fertilised only with K. The number of inflorescences increased throughout the experimental period, particularly for N and NK treatments, and a reduction of the precipitation amount during April, May and June, may also enhance flowering. This knowledge could be important when making decisions concerning fertilisation under dry conditions. The results reported here indicate that tree growth (expressed as the branch growth) and flower production under dry-farming conditions, may be achieved by applying 0.8 kg of N (as ammonium nitrate) per tree during the growing season. However, N uptake and use depends on soil water availability.

An Extension of Estimation of Domain of Attraction for Fractional Order Linear System Subject to Saturation Control

This paper employs the Lyapunov direct method for the stability analysis of fractional order linear systems subject to input saturation. A new stability condition based on saturation function is adopted for estimating the domain of attraction via ellipsoid approach. To further improve this estimation, the auxiliary feedback is also supported by the concept of stability region. The advantages of the proposed method are twofold: (1) it is straightforward to handle the problem both in analysis and design because of using Lyapunov method, (2) the estimation leads to less conservative results. A numerical example illustrates the feasibility of the proposed method.

Nitrogen (N) : from science to society. A science communication project

O Azoto (N): da ciência para a sociedade é um projecto de comunicação de ciência que tem por objecNvo consciencializar os jovens para as ameaças que o azoto (N) em excesso traz para a humanidade. Pode ser dividido em duas partes. Uma, de invesNgação, sobre a análise de resultados de uma consulta pública realizada entre professores, usando o método qualitaNvo do focus group, para compreender a sua sensibilidade e propostas de solução para minimizar o excesso de N no ambiente. Os resultados obNdos foram instrumentais para o desenvolvimento da segunda parte. Esta segunda parte é uma proposta de projecto a submeter ao Horizon 2020, no âm-­‐ bito da “Science with and for Society “. Nela se propõe uma abordagem educaNva trans-­‐disciplinar, conseguida através da interacção entre docentes do secundário, e do ensino superior, associação de pais e organizações cívicas não governamentais, com vista à consciencialização dos jovens para as ameaças do N em excesso no meio ambiente, fazendo o enquadramento cien@fico e fornecendo abordagens tecnológi-­‐ cas. A inovação desta proposta baseia-­‐se: (i) no acompanhamento e desenvolvimen-­‐ to profissional dos docentes do secundário, (ii) na moNvação dos estudantes a de-­‐ senvolver o seu próprio estudo e pesquisa com a tutoria dos docentes, da escola e do ensino superior, e (iii) no desenvolvimento de capacidades de comunicação dos jo-­‐ vens para exercer uma cidadania acNva em prol da minimização das ameaças do N.