Influence of chest wall on lung mechanics during inspiration.

RATIONALE: The interaction between lungs and chest wall influences lung volume, that determines lung history during respiration cycle. In this study, the influence of chest wall mechanics on respiratory system is assessed by the evaluation of inspiration pressure-volume curve (PV curve) under three different situations: closed-chest, open-chest and isolated lung. The PV curve parameters in each situation allow us to further understand the role played by different chest wall elements in the respiratory function. Methods: Twenty-four male Wistar rats (236 ± 29 g) were used. The animals were weighted and then anesthetized with xylazine 2% (0,5mL/kg) and ketamine 10% (0,9mL/kg), exsanguinated and later tracheostomized with a metallic cannula (14 gauge). The cannula was connected to an automatic small animal insufflator. This setup was connected to a pressure transducer (32 samples/s). The 24 animals were randomly separated in three groups: (i) closed chest, (ii) open chest and (iii) isolated lung. The rats were insufflated with 20mL quasi-statically (constant speed of 0,1mL/s). Insufflated volume and measured pressure data were kept and PV curves were obtained for all animals. The PV curves were fitted (non-linear least squares) against the sigmoid equation (1) to obtain the sigmoid equation parameters (a,b,c,d). Elastance measurements were obtained from linear regression of pressure/volume measurements in a 0,8s interval before and after the calculated point. Results: The parameters a, b and c showed no significant change, but the parameter d showed a significant variation among the three groups. The initial elastance also varied between open and closed chest, indicating the need of a higher pressure for the lung expansion, as can be seen in Table 1. Table 1: Mean and Standard Deviation of parameters obtained for each protocol. Protocol: Closed Chest – a (mL) -0.35±0.33; b (mL) 13.93±0.89; c (cm H2O) 21.28±2.37; d (cm H2O) 6.17±0.84; r²** (%) 99.4±0.14; Initial Elastance* (cm H2)/mL) 12.72±6.66; Weight (g) 232.33±5.72. Open Chest - a (mL) 0.01±0.28; b (mL) 14.79±0.54; c (cm H2O) 19.47±1.41; d (cm H2O) 3.50±0.28; r²** (%) 98.8±0.34; Initial Elastance* (cm H2)/mL) 28.68±2.36; Weight (g) 217.33±7.97. Isolated Lung - a (mL) -0.09±0.46; b (mL) 14.22±0.75; c (cm H2O) 21.76±1.43; d (cm H2O) 4.24±0.50; r²** (%) 98.9±0.19; Initial Elastance* (cm H2)/mL) 7.13±8.85; Weight (g) 224.33±16.66. * Elastance measures in the 0-0,1 mL range. ** Goodness of sigmoid fit versus measured data Conclusion: A supporting effect of the chest wall was observed at the initial moments of inspiration, observed as a higher initial elastance in open chest situations than in closed chest situations (p=0,00001). The similar initial elastance for the isolated lung and closed chest may be explained by the specific method used for the isolated lung experiment. As the isolated lung is supported by the trachea vertically, the weight of the tissue may have a similar effect of the residual negative pressure in the thorax, responsible for maintaining the residual volume.

In-situ XANES experiments on Ni K-edge in mesoporous ZrO2-CeO2:Ni.

Ordered mesoporous ZrO2-CeO2 mixed oxides are potential candidates for catalytic applications. These systems, used as anodes in solid oxide fuel cells (SOFC), may lead to better performance of SOFCs, due to an enhancement on surface area, aiming to achieve a lower working temperature. The aim of this studies is to evaluate the reduction capacity of Ni2+ to Ni in ZrO2-x(mol)%CeO2 (x=50 and 90) samples impregnated with 60(wt.)%NiO. The synthesis was made with Zr and Ce chloride precursors, HCl aqueous solution, Pluronic P123, NH4OH to adjust the pH (3-4) and a teflon autoclave to perform a hydrothermal treatment (80oC/48h). The samples were dried and calcined, until 540oC in N2 and 4 hours in air. The NiO impregnation was made with an ethanol dispersion of Ni(NO3)£6H2O. The powder was calcinated in air until 350oC for 2 hours. Temperature-resolved XANES data at the Ni K-edge were collected at the DXAS beam line of the LNLS in transmission mode, using a Si(111) monochromator and a CCD detector. Sample preparation consisted of mixing »6mg of the powder samples with boron nitride and pressing into pellets. The data were acquired during an experiment of temperature programmed reduction (TPR) under a 5% H2/He until 600oC and mixtures of 20%CH4:5%O2/He, at temperatures from 400 to 600oC. All the reactions were monitored with a mass spectrometer. The data was analyzed with a linear combination fit of 2 standards for each valence number using Athena software. The Ni K-edge experiments demonstrated that for both contents of CeO2, NiO embedded in the porous zirconia-ceria matrix reduces at lower temperatures than pure NiO, revealing that the ZrO2-CeO2 support improves the reduction of impregnated NiO. Ni was oxidized to NiO after all reactions with methane and oxygen. Hydrogenated carbonaceous species were detected, but under reducing conditions, the hydrocarbon compounds are removed. The reaction of total oxidation of methane CH4:O2 (1:2 ratio) was observed at lower temperatures (around 400oC) for both samples.

Structural and textural studies of NiO impregnation in mesoporous ZrO2-CeO2 for catalysis applications.

The synthesis of zirconia-based ordered mesoporous structures for catalytic applications is a research area under development. These systems are also potential candidates as anodes in intermediate temperature solid oxide fuel cells (it-SOFC) due to an enhancement on their surface area [1-4]. The structural features of mesoporous zirconia-ceria materials in combination with oxygen storage/release capacity (OSC) are crucial for various catalytic reactions. The direct use of hydrocarbons as fuel for the SOFC (instead of pure H2), without the necessity of reforming and purification reactors can improve global efficiency of these systems [4]. The X-ray diffraction data showed that ZrO2-x%CeO2 samples with x>50 are formed by a larger fraction of the cubic phase (spatial group Fm3m), while for x<50 the major crystalline structure is the tetragonal phase (spatial group P42/nmc). The crystallite size of the cubic phase increases with increase in ceria content. The tetragonal crystallite size decreases when ceria content increases. After impregnation, the Rietveld analysis showed a NiO content around 60wt.% for all samples. The lattice parameters for the ZrO2 tetragonal phase are lower for higher ZrO2 contents, while for all samples the cubic NiO and CeO2 parameters do not present changes. The calculated densities are higher for higher ceria content, as expected. The crystallite size of NiO are similar (~20nm) for all samples and 55nm for the NiO standard. Nitrogen adsorption experiments revealed a broader particle size distribution for higher CeO2 content. The superficial area values were around 35m2/g for all samples, the average pore diameter and pore volumes were higher when increasing ceria content. After NiO impregnation the particle size distribution was the same for all samples, with two pore sizes, the first around 3nm and a broader peak around 10nm. The superficial area increased to approximately 45m2/g for all samples, and the pore volume was also higher after impregnation and increased when ceria content increased. These results point up that the impregnation of NiO improves the textural characteristics of the pristine material. The complementary TEM/EDS images present a homogeneous coating of NiO particles over the ZrO2-x%CeO2 support, showing that these samples are excellent for catalysis applications. [1] D. Y. Zhao, J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, G. H. Fredrickson, B. F. Chmelka, G. D. Stucky, Science 279, 548-552 (1998). [2] C. Yu, Y. Yu, D. Zhao, Chem. Comm. 575-576 (2000). [3] A. Trovarelli, M. Boaro, E. Rocchini, C. de Leitenburg, G. Dolcetti, J. Alloys Compd. 323-324 (2001) 584-591. [4] S. Larrondo, M. A. Vidal, B. Irigoyen, A. F. Craievich, D. G. Lamas, I. O. Fábregas, et al. Catal. Today 107–108 (2005) 53-59.

Structural and reduction studies of ZrO2-CeO2:Ni for application in SOFC anodes.

Zirconia-ceria solid-solutions are extensively used as promoters for three-way catalysts, which are applied in the control of NOx, CO and hydrocarbons emission from automotive exhausts. In addition, thesematerials can be used as anodes in solid oxide fuel cells (SOFCs) operated with hydrocarbons. There areonly few works on ZrO2-CeO2 ordered mesoporous materials for catalytic applications and for anodes inSOFCs. The interest in these anodes relies on the fact that ZrO2-CeO2materials are mixed ionic/electronic conductors in reducing atmosphere and, therefore, fuel oxidation is produced on its entire surface, while it only occurs in the [anode/electrolyte/gas] interface (triple-phase boundaries) for electronic conductors. In this work, a synthesis method was developed usingZr and Ce chloride precursors, HCl aqueous solution, Pluronic P123 as the structure directing agent, NH4OH to adjust the pH (3-4) and a Teflon autoclave to perform hydrothermal treatment (80ºC/48 hours). The samples were dried and calcined, until 540ºC in N2and 4 hours in air. The X-ray diffraction data showed that powders with higher CeO2 content are formed by a larger fraction of the cubic CeO2 phase, while for a lower CeO2content the major crystalline structure is the tetragonal ZrO2 phase. The NiO impregnation was made with an ethanol dispersion of Ni(NO3)×6H2O. The resulting powder was calcinated in air until 350ºC for 2 hours. Temperature-programmed reduction (TPR) data were collected in order to evaluate the reduction profiles of ZrO2-x%CeO2:Ni samples in H2/Ar atmosphere. Results showed lower reduction temperatures for all ceria content in samples comparing to a NiO standard.

Synthesis of self-assembled tubes in direct conjugated porphyrin-gold nanohybrid solution

We report on the formation of self-assembled meso-tetrakis (p-sulfonatofenyl) porphyrin (H2 TPP'S POT. 4-''IND. 4') tubes stabilized by gold nanoparticles (NPs) in basic solution and on their spectroscopic chareterization. The role of the gold NPs in the aggregation dynamics of free-base sulfonated porphyrin (H2TPP'S POT. 4-''IND. 4') is also investigated. The direct conjugation of the gold NPs to the H2TPPS4 molecule quenches the fluorescence intensity, while absorption peaks are blue-shifted, indicating predominant H-type aggregation. It is observed that porphyrin molecules adsorbed on the surface of the gold NP interact and form tubes of maximum diameter ∼1.5 μm and length >100 μm. Steady-state and time-resolved spectroscopic techniques confirm nonradiative energy transfer from porphyrin to gold NP.

Resonant States in Negative Ions

Resonant states are multiply excited states in atoms and ions that have enough energy to decay by emitting an electron. The ability to emit an electron and the strong electron correlation (which is extra strong in negative ions) makes these states both interesting and challenging from a theoretical point of view. The main contribution in this thesis is a method, which combines the use of B splines and complex rotation, to solve the three-electron Schrödinger equation treating all three electrons equally. It is used to calculate doubly excited and triply excited states of 4S symmetry with even parity in He-. For the doubly excited states there are experimental and theoretical data to compare with. For the triply excited states there is only theoretical data available and only for one of the resonances. The agreement is in general good. For the triply excited state there is a significant and interesting difference in the width between our calculation and another method. A cause for this deviation is suggested. The method is also used to find a resonant state of 4S symmetry with odd parity in H2-. This state, in this extremely negative system, has been predicted by two earlier calculations but is highly controversial. Several other studies presented here focus on two-electron systems. In one, the effect of the splitting of the degenerate H(n=2) thresholds in H-, on the resonant states converging to this threshold, is studied. If a completely degenerate threshold is assumed an infinite series of states is expected to converge to the threshold. Here states of 1P symmetry and odd parity are examined, and it is found that the relativistic and radiative splitting of the threshold causes the series to end after only three resonant states. Since the independent particle model completely fails for doubly excited states, several schemes of alternative quantum numbers have been suggested. We investigate the so called DESB (Doubly Excited Symmetry Basis) quantum numbers in several calculations. For the doubly excited states of He- mentioned above we investigate one resonance and find that it cannot be assigned DESB quantum numbers unambiguously. We also investigate these quantum numbers for states of 1S even parity in He. We find two types of mixing of DESB states in the doubly excited states calculated. We also show that the amount of mixing of DESB quantum numbers can be inferred from the value of the cosine of the inter-electronic angle. In a study on Li- the calculated cosine values are used to identify doubly excited states measured in a photodetachment experiment. In particular a resonant state that violates a propensity rule is found.

Molecular gas in the galaxy M83 : Its distribution, kinematics, and relation to star formation

The barred spiral galaxy M83 (NGC5236) has been observed in the 12CO J=1–0 and J=2–1 millimetre lines with the Swedish-ESO Submillimetre Telescope (SEST). The sizes of the CO maps are 100×100, and they cover the entire optical disk. The CO emission is strongly peaked toward the nucleus. The molecular spiral arms are clearly resolved and can be traced for about 360º. The total molecular gas mass is comparable to the total Hi mass, but H2 dominates in the optical disk. Iso-velocity maps show the signature of an inclined, rotating disk, but also the effects of streaming motions along the spiral arms. The dynamical mass is determined and compared to the gas mass. The pattern speed is determined from the residual velocity pattern, and the locations of various resonances are discussed. The molecular gas velocity dispersion is determined, and a trend of decreasing dispersion with increasing galactocentric radius is found. A total gas (H2+Hi+He) mass surface density map is presented, and compared to the critical density for star formation of an isothermal gaseous disk. The star formation rate (SFR) in the disk is estimated using data from various star formation tracers. The different SFR estimates agree well when corrections for extinctions, based on the total gas mass map, are made. The radial SFR distribution shows features that can be associated with kinematic resonances. We also find an increased star formation efficiency in the spiral arms. Different Schmidt laws are fitted to the data. The star formation properties of the nuclear region, based on high angular resolution HST data, are also discussed.

Sviluppi di catalizzatori per l'abbattimento di NOx in presenza di ossigeno

Il traffico veicolare è la principale fonte antropogenica di NOx, idrocarburi (HC) e CO e, dato che la sostituzione dei motori a combustione interna con sistemi alternativi appare ancora lontana nel tempo, lo sviluppo di sistemi in grado di limitare al massimo le emissioni di questi mezzi di trasporto riveste un’importanza fondamentale. Sfortunatamente non esiste un rapporto ottimale aria/combustibile che permetta di avere basse emissioni, mentre la massima potenza ottenibile dal motore corrisponde alle condizioni di elevata formazione di CO e HC. Gli attuali sistemi di abbattimento permettono il controllo delle emissioni da sorgenti mobili tramite una centralina che collega il sistema di iniezione del motore e la concentrazione di ossigeno del sistema catalitico (posto nella marmitta) in modo da controllare il rapporto aria/combustibile (Fig. 1). Le marmitte catalitiche per motori a benzina utilizzano catalizzatori “three way” a base di Pt/Rh supportati su ossidi (allumina, zirconia e ceria), che, dovendo operare con un rapporto quasi stechiometrico combustibile/comburente, comportano una minore efficienza del motore e consumi maggiori del 20-30% rispetto alla combustione in eccesso di ossigeno. Inoltre, questa tecnologia non può essere utilizzata nei motori diesel, che lavorano in eccesso di ossigeno ed utilizzano carburanti con un tenore di zolfo relativamente elevato. In questi ultimi anni è cresciuto l’interesse per il controllo delle emissioni di NOx da fonti veicolari, con particolare attenzione alla riduzione catalitica in presenza di un eccesso di ossigeno, cioè in condizioni di combustione magra. Uno sviluppo recente è rappresentato dai catalizzatori tipo “Toyota” che sono basati sul concetto di accumulo e riduzione (storage/reduction), nei quali l’NO viene ossidato ed accumulato sul catalizzatore come nitrato in condizioni di eccesso di ossigeno. Modificando poi per brevi periodi di tempo le condizioni di alimentazione da ossidanti (aria/combustibile > 14,7 p/p) a riducenti (aria/combustibile < 14,7 p/p) il nitrato immagazzinato viene ridotto a N2 e H2O. Questi catalizzatori sono però molto sensibili alla presenza di zolfo e non possono essere utilizzati con i carburanti diesel attualmente in commercio. Obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di ottimizzare e migliorare la comprensione del meccanismo di reazione dei catalizzatori “storage-reduction” per l’abbattimento degli NOx nelle emissioni di autoveicoli in presenza di un eccesso di ossigeno. In particolare lo studio è stato focalizzato dapprima sulle proprietà del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, in funzione del tipo di precursore e sulle proprietà e composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). Lo studio è stato inizialmente focalizzato sulle proprietà dei precursori del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, sulla composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). E’ stata effettuata una dettagliata caratterizzazione chimico-fisica dei materiali preparati tramite analisi a raggi X (XRD), area superficiale, porosimetria, analisi di dispersione metallica, analisi in riduzione e/o ossidazione in programmata di temperatura (TPR-O), che ha permesso una migliore comprensione delle proprietà dei catalizzatori. Vista la complessità delle miscele gassose reali, sono state utilizzate, nelle prove catalitiche di laboratorio, alcune miscele più semplici, che tuttavia potessero rappresentare in maniera significativa le condizioni reali di esercizio. Il comportamento dei catalizzatori è stato studiato utilizzando differenti miscele sintetiche, con composizioni che permettessero di comprendere meglio il meccanismo. L’intervallo di temperatura in cui si è operato è compreso tra 200-450°C. Al fine di migliorare i catalizzatori, per aumentarne la resistenza alla disattivazione da zolfo, sono state effettuate prove alimentando in continuo SO2 per verificare la resistenza alla disattivazione in funzione della composizione del catalizzatore. I principali risultati conseguiti possono essere così riassunti: A. Caratteristiche Fisiche. Dall’analisi XRD si osserva che l’impregnazione con Pt(NH3)2(NO2)2 o con la sospensione nanoparticellare in DEG, non modifica le proprietà chimico-fisiche del supporto, con l’eccezione del campione con sospensione nanoparticellare impregnata su ossido misto per il quale si è osservata sia la segregazione del Pt, sia la presenza di composti carboniosi sulla superficie. Viceversa l’impregnazione con Ba porta ad una significativa diminuzione dell’area superficiale e della porosità. B. Caratteristiche Chimiche. L’analisi di dispersione metallica, tramite il chemiassorbimento di H2, mostra per i catalizzatori impregnati con Pt nanoparticellare, una bassa dispersione metallica e di conseguenza elevate dimensioni delle particelle di Pt. I campioni impregnati con Pt(NH3)2(NO2)2 presentano una migliore dispersione. Infine dalle analisi TPR-O si è osservato che: Maggiore è la dispersione del metallo nobile maggiore è la sua interazione con il supporto, L’aumento della temperatura di riduzione del PtOx è proporzionale alla quantità dei metalli alcalino terrosi, C. Precursore Metallo Nobile. Nelle prove di attività catalitica, con cicli ossidanti e riducenti continui in presenza ed in assenza di CO2, i catalizzatori con Pt nanoparticellare mostrano una minore attività catalitica, specie in presenza di un competitore come la CO2. Al contrario i catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 presentano un’ottima attività catalitica, stabile nel tempo, e sono meno influenzabili dalla presenza di CO2. D. Resistenza all’avvelenamento da SO2. Il catalizzatore di riferimento, 17Ba1Pt/γAl2O3, mostra un effetto di avvelenamento con formazione di solfati più stabili che sul sistema Ba-Mg; difatti il campione non recupera i valori iniziali di attività se non dopo molti cicli di rigenerazione e temperature superiori ai 300°C. Per questi catalizzatori l’avvelenamento da SO2 sembra essere di tipo reversibile, anche se a temperature e condizioni più favorevoli per il 1.5Mg8.5Ba-1Pt/γAl2O3. E. Capacità di Accumulo e Rigenerabilità. Tramite questo tipo di prova è stato possibile ipotizzare e verificare il meccanismo della riduzione. I catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 hanno mostrato un’elevata capacità di accumulo. Questa è maggiore per il campione bimetallico (Ba-Mg) a T < 300°C, mentre per il riferimento è maggiore per T > 300°C. Per ambedue i catalizzatori è evidente la formazione di ammoniaca, che potrebbe essere utilizzata come un indice che la riduzione dei nitrati accumulati è arrivata al termine e che il tempo ottimale per la riduzione è stato raggiunto o superato. Per evitare la formazione di NH3, sul catalizzatore di riferimento, è stata variata la concentrazione del riducente e la temperatura in modo da permettere alle specie adsorbite sulla superficie e nel bulk di poter raggiungere il Pt prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo. La presenza di CO2 riduce fortemente la formazione di NH3; probabilmente perché la CO2, occupando i siti degli elementi alcalino-terrosi lontani dal Pt, impedisce ai nitriti/nitrati o all’H2 attivato di percorrere “elevate” distanze prima di reagire, aumentando così le possibilità di una riduzione più breve e più selettiva. F. Tempo di Riduzione. Si è migliorata la comprensione del ruolo svolto dalla concentrazione dell’agente riducente e dell’effetto della durata della fase riducente. Una durata troppo breve porta, nel lungo periodo, alla saturazione dei siti attivi, un eccesso alla formazione di NH3 Attraverso queste ultime prove è stato possibile formulare un meccanismo di reazione, in particolare della fase riducente. G. Meccanismo di Riduzione. La mobilità dei reagenti, nitriti/nitrati o H2 attivato è un elemento fondamentale nel meccanismo della riduzione. La vicinanza tra i siti di accumulo e quelli redox è determinante per il tipo di prodotti che si possono ottenere. La diminuzione della concentrazione del riducente o l’aumento della temperatura concede maggiore tempo o energia alle specie adsorbite sulla superficie o nel bulk per migrare e reagire prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo.

Semicelle SOFC: studio e produzione di elettroliti con processi a basso impatto ambientale

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono dei sistemi elettrochimici in grado di trasformare direttamente l’energia chimica di un combustibile (generalmente H2) e di un comburente (O2) in energia elettrica, senza l’intervento intermedio di un ciclo termico. Le SOFCs rappresentano un sistema energetico pulito, efficiente e sicuro, tuttavia questa tecnologia presenta costi di produzione ancora elevati e necessita di un maggiore sviluppo. L’argomento della presente tesi si colloca nell’ambito dello studio e realizzazione di materiali per l’elettrolita di SOFCs ed il contributo scientifico che si propone di fornire trova spazio nella necessità di migliorare la sinterizzazione di tali materiali e nell’ottimizzazione dei processi di formatura per produzioni facilmente scalabili a livello industriale con costo contenuto ed ecocompatibili. L’approccio di ricerca adottato è stato quello di approfondire le conoscenze relative ad un ossido di cerio drogato con gadolinio (GDC), scelto come elettrolita, cercando di comprendere su quali parametri intervenire per promuovere la densificazione ed ottimizzare il seguente processo di formatura. La ricerca si è articolata nei seguenti punti: a) Studio del processo di sinterizzazione in relazione alle caratteristiche morfologiche delle polveri di GDC pura ed esaminando l’influenza dell’ossido di rame, aggiunto come drogante, sul comportamento in sinterizzazione e microstruttura finale. I risultati indicano che il processo di sinterizzazione è enormemente influenzato dalla presenza del CuO, dalla sua morfologia e dalla procedura usata per il drogaggio b) Realizzazione di un inchiostro serigrafico a base di GDC in matrice acquosa da depositare su anodi in verde. La serigrafia rappresenta un’importante tecnica di formatura, facilmente adattabile ad una produzione industriale, con cui è possibile ottenere film di GDC densi. L’ottimizzazione dei processi in matrice acquosa porta un enorme contributo per la diminuzione dei costi di produzione e per la realizzazione di un processo maggiormente ecocompatibile. Questo obiettivo è stato raggiunto con la corretta scelta e caratterizzazione di tutti gli additivi di formatura c) Assemblaggio della semicella SOFC anodo supportante e relativo trattamento in co-firing. La messa a punto di un idoneo ciclo di burn out degli organici ha contribuito a preservare l’integrità ed omogeneità dei film depositati che dopo sinterizzazione risultano perfettamente densi e privi di cricche.

Produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione catalitica di kerosene

L’H2 è attualmente un elemento di elevato interesse economico, con notevoli prospettive di sviluppo delle sue applicazioni. La sua produzione industriale supera attualmente i 55 ∙ 1010 m3/anno, avendo come maggiori utilizzatori (95% circa) i processi di produzione dell’ammoniaca e quelli di raffineria (in funzione delle sempre più stringenti normative ambientali). Inoltre, sono sempre più importanti le sue applicazioni come vettore energetico, in particolare nel settore dell’autotrazione, sia dirette (termochimiche) che indirette, come alimentazione delle fuel cells per la produzione di energia elettrica. L’importanza economica degli utilizzi dell’ H2 ha portato alla costruzione di una rete per la sua distribuzione di oltre 1050 km, che collega i siti di produzione ai principali utilizzatori (in Francia, Belgio, Olanda e Germania). Attualmente l’ H2 è prodotto in impianti di larga scala (circa 1000 m3/h) da combustibili fossili, in particolare metano, attraverso i processi di steam reforming ed ossidazione parziale catalitica, mentre su scala inferiore (circa 150 m3/h) trovano applicazione anche i processi di elettrolisi dell’acqua. Oltre a quella relativa allo sviluppo di processi per la produzione di H2 da fonti rinnovabili, una tematica grande interesse è quella relativa al suo stoccaggio, con una particolare attenzione ai sistemi destinati alle applicazioni nel settore automotivo o dei trasposti in generale. In questo lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto europeo “Green Air” (7FP – Transport) in collaborazione (in particolare) con EADS (D), CNRS (F), Jonhson-Matthey (UK), EFCECO (D), CESA (E) e HyGEAR (NL), è stato affrontato uno studio preliminare della reazione di deidrogenazione di miscele di idrocarburi e di differenti kerosene per utilizzo aereonautico, finalizzato allo sviluppo di nuovi catalizzatori e dei relativi processi per la produzione di H2 “on board” utilizzando il kerosene avio per ottenere, utilizzando fuel cells, l’energia elettrica necessaria a far funzionare tutta la strumentazione ed i sistemi di comando di aeroplani della serie Airbus, con evidenti vantaggi dal punto di vista ponderale e delle emissioni.

Cluster-derived Gold/Iron catalysts for environmental applications

During the last years we assisted to an exponential growth of scientific discoveries for catalysis by gold and many applications have been found for Au-based catalysts. In the literature there are several studies concerning the use of gold-based catalysts for environmental applications and good results are reported for the catalytic combustion of different volatile organic compounds (VOCs). Recently it has also been established that gold-based catalysts are potentially capable of being effectively employed in fuel cells in order to remove CO traces by preferential CO oxidation in H2-rich streams. Bi-metallic catalysts have attracted increasing attention because of their markedly different properties from either of the costituent metals, and above all their enhanced catalytic activity, selectivity and stability. In the literature there are several studies demostrating the beneficial effect due to the addition of an iron component to gold supported catalysts in terms of enhanced activity, selectivity, resistence to deactivation and prolonged lifetime of the catalyst. In this work we tried to develop a methodology for the preparation of iron stabilized gold nanoparticles with controlled size and composition, particularly in terms of obtaining an intimate contact between different phases, since it is well known that the catalytic behaviour of multi-component supported catalysts is strongly influenced by the size of the metal particles and by their reciprocal interaction. Ligand stabilized metal clusters, with nanometric dimensions, are possible precursors for the preparation of catalytically active nanoparticles with controlled dimensions and compositions. Among these, metal carbonyl clusters are quite attractive, since they can be prepared with several different sizes and compositions and, moreover, they are decomposed under very mild conditions. A novel preparation method was developed during this thesis for the preparation of iron and gold/iron supported catalysts using bi-metallic carbonyl clusters as precursors of highly dispersed nanoparticles over TiO2 and CeO2, which are widely considered two of the most suitable supports for gold nanoparticles. Au/FeOx catalysts were prepared by employing the bi-metallic carbonyl cluster salts [NEt4]4[Au4Fe4(CO)16] (Fe/Au=1) and [NEt4][AuFe4(CO)16] (Fe/Au=4), and for comparison FeOx samples were prepared by employing the homometallic [NEt4][HFe3(CO)11] cluster. These clusters were prepared by Prof. Longoni research group (Department of Physical and Inorganic Chemistry- University of Bologna). Particular attention was dedicated to the optimization of a suitable thermal treatment in order to achieve, apart from a good Au and Fe metal dispersion, also the formation of appropriate species with good catalytic properties. A deep IR study was carried out in order to understand the physical interaction between clusters and different supports and detect the occurrence of chemical reactions between them at any stage of the preparation. The characterization by BET, XRD, TEM, H2-TPR, ICP-AES and XPS was performed in order to investigate the catalysts properties, whit particular attention to the interaction between Au and Fe and its influence on the catalytic activity. This novel preparation method resulted in small gold metallic nanoparticles surrounded by highly dispersed iron oxide species, essentially in an amorphous phase, on both TiO2 and CeO2. The results presented in this thesis confirmed that FeOx species can stabilize small Au particles, since keeping costant the gold content but introducing a higher iron amount a higher metal dispersion was achieved. Partial encapsulation of gold atoms by iron species was observed since the Au/Fe surface ratio was found much lower than bulk ratio and a strong interaction between gold and oxide species, both of iron oxide and supports, was achieved. The prepared catalysts were tested in the total oxidation of VOCs, using toluene and methanol as probe molecules for aromatics and alchols, respectively, and in the PROX reaction. Different performances were observed on titania and ceria catalysts, on both toluene and methanol combustion. Toluene combustion on titania catalyst was found to be enhanced increasing iron loading while a moderate effect on FeOx-Ti activity was achieved by Au addition. In this case toluene combustion was improved due to a higher oxygen mobility depending on enhanced oxygen activation by FeOx and Au/FeOx dispersed on titania. On the contrary ceria activity was strongly decreased in the presence of FeOx, while the introduction of gold was found to moderate the detrimental effect of iron species. In fact, excellent ceria performances are due to its ability to adsorb toluene and O2. Since toluene activation is the determining factor for its oxidation, the partial coverage of ceria sites, responsible of toluene adsorption, by FeOx species finely dispersed on the surface resulted in worse efficiency in toluene combustion. Better results were obtained for both ceria and titania catalysts on methanol total oxidation. In this case, the performances achieved on differently supported catalysts indicate that the oxygen mobility is the determining factor in this reaction. The introduction of gold on both TiO2 and CeO2 catalysts, lead to a higher oxygen mobility due to the weakening of both Fe-O and Ce-O bonds and consequently to enhanced methanol combustion. The catalytic activity was found to strongly depend on oxygen mobility and followed the same trend observed for catalysts reducibility. Regarding CO PROX reaction, it was observed that Au/FeOx titania catalysts are less active than ceria ones, due to the lower reducibility of titania compared to ceria. In fact the availability of lattice oxygen involved in PROX reaction is much higher in the latter catalysts. However, the CO PROX performances observed for ceria catalysts are not really high compared to data reported in literature, probably due to the very low Au/Fe surface ratio achieved with this preparation method. CO preferential oxidation was found to strongly depend on Au particle size but also on surface oxygen reducibility, depending on the different oxide species which can be formed using different thermal treatment conditions or varying the iron loading over the support.

Sintesi di catalizzatori supportati Pd/Cu e studio della loro reattività per l'idrodeclorurazione di molecole clorofluorurate

Il Protocollo di Montreal, che succede alla Convenzione di Vienna per la protezione dello strato di ozono richiede l’eliminazione di idrocarburi contenenti cloro (CFC). Nel corso degli ultimi decenni ha quindi assunto importanza la reazione di idrodeclorurazione di clorofluorocarburi, in particolare rivolta alla produzione di idrocarburi fluorurati che sono risultati interessanti per la produzione di polimeri con specifiche caratteristiche di resistenza meccanica, termica e chimica. In questo lavoro di tesi, svolto in collaborazione con SOLVAY SPECIALTY POLYMERS ITALY, sono stati studiati catalizzatori innovativi per la produzione di perfluorometilviniletere (MVE), mediante idrodeclorurazione di perfluorometilcloroviniletere (AM). Attualmente la reazione di produzione industriale dell’MVE, condotta con l'utilizzo di quantità stechiometriche di Zn e dimetilformammide (DMF), presenta il notevole problema dello smaltimento di grandi quantità di zinco cloruro e di DMF. La reazione studiata, condotta in catalisi eterogenea, in presenta di H2, presenta una forte dipendenza dalla natura dei metalli utilizzati oltre che dal tipo di sintesi dei catalizzatori impiegati. Nell'ambito di questo lavoro è stato sviluppato un metodo, a basso impatto ambientale, per la sintesi si nanoparticelle preformate da utilizzare per la preparazione di catalizzatori supportati si TiO2 e SiO2. Le nanosospensioni ed i sistemi catalitici prodotti sono stati caratterizzati utilizzando diverse metodologie di analisi quali: XRD, XRF, TEM, TPR-MS, che hanno permesso di ottimizzare le diverse fasi della preparazione. Allo scopo di osservare effetti sinergici tra le specie utilizzate sono stati confrontati sistemi catalitici monometallici con sistemi bimetallici, rivelando interessanti implicazioni derivanti dall’utilizzo di fasi attive nanoparticellari a base di Pd e Cu. In particolare, è stato possibile apprezzare miglioramenti significativi nelle prestazioni catalitiche in termini di selettività a perfluorometilviniletere all’aumentare del contenuto di Cu. La via di sintesi ottimizzata e impiegata per la produzione di nanoparticelle bimetalliche è risultata una valida alternativa, a basso impatto ambientale, ai metodi di sintesi normalmente usati, portando alla preparazione di catalizzatori maggiormente attivi di quelli preparati con i metalli standard.

Strukturelle und molekulare Charakterisierung des Asialoglykoprotein-Rezeptors aus humaner Leber

Der Asialoglykoprotein-Rezeptor (ASGPR) vermittelt als integraler Bestandteil der Leberzellmembran die Endozytose von zirkulierenden Asialoglykoproteinen. Ziele dieser Arbeit waren proteinchemische Untersuchungen von funktionellem ASGPR aus humaner Leber aufgrund einer verbesserten Präparationsmethode und die rekombinante Darstellung der beiden Untereinheiten H1 und H2. In der denaturierenden SDS-PAGE erschienen H1 und H2 überwiegend als Monomere bei 46 und 50kD; nach Deglykosylierung ergaben sich Banden bei 34 und 32kD, wonach der Glykosidanteil etwa 28% beträgt. In der nicht-denaturierenden Größenausschluß-Chromatographie wurden im nativen ASGPR ausschließlich Trimere und Dimere gefunden. In Gegenwart von 2-Mercaptoethanol konnten funktionell eine aktive von einer nicht-aktiven Fraktion getrennt werden, wobei H2 in der nicht-aktiven Fraktion angereichert war, während sich H1 zu etwa gleichen Teilen in beiden Fraktionen befand. Durch zweidimensionale Auftrennung des deglykosylierten Rezeptors wurden auf Proteinebene vier Isoformen von H1 und zwei von H2 mit unterschiedlichen pI-Werten identifiziert. Der Vergleich von funktionellem ASGPR aus normaler Leber und den hepatischen Tumorzellinien HepG2 und Huh7 in der SDS-PAGE brachte Größenunterschiede von etwa sechs und vier Kilodalton hervor. Bei H1 konnte dies auf einen höheren Glykosylierungsgrad zurückgeführt werden, während H2 auch nach Behandlung mit N-GlykosidaseF ein größeres Molekulargewicht aufwies. Ein Antikörper gegen das Insertionspeptid im cytoplasmatischen Bereich einer Splice-Variante von H2 zeigte eine deutlich erhöhte Expression von H2 mit Insertion in Huh7-Zellen gegenüber natürlichem ASGPR. Da bisherige Kenntnisse über den humanen ASGPR vorwiegend aus kultivierten Hepatomzelllinien stammen, scheinen sie nicht ohne weiteres auf die Situation in normaler Leber übertragbar. Die Präparation von funktionellem H1 aus transfizierten cos7- und 293-Zellen führte zum gleichen Bandenmuster wie beim natürlichen ASGPR. Mit einem Enzymimmunoassay wurde die Eignung von rekombinantem H1 zur Detektion von Antikörpern gegen ASGPR in 177 von 178 Patientenseren gezeigt. Da durch Präinkubation mit rekombinantem Antigen die Reaktivität mit natürlichem Rezeptor inhibiert werden konnte, trägt H1 hauptsächlich die antigenen Stellen des ASGPR.

Synthese und radioaktive Markierung potentieller PET- bzw. SPECT-Liganden zur Quantifizierung und Visualisierung der pankreatischen beta-Zell-Masse

Abstract Due to the ongoing efforts in transplanting b-cell mass there is also a great medical interest in specific b-cell imaging agents to quantify the acceptance of transplanted islets in humans in vivo. Additionally, in the context of type 1 diabetes mellitus the chronic and progressive loss of b-cells caused by autoimmune destruction has led to concerted efforts to prevent further loss of b-cells by autoantigen-specific immunotherapy of pre-diabetic patients. nateglinide and glibenclamide are SUR1 ligands used to stimulate insulin secretion in type 2 diabetic patients. They bind to a class of molecules known as the ATP-sensitive potassium channels, located on the insulin producing b-cells of the islets of Langerhans and are therefore excellent candidates as b-cell specific tracers. To obtain a precursor for a direct labelling of nateglinide with [18F]fluoride, the aromatic system of the phenylalanine structure element was derivatised to obtain a phenolic OH-group in 4-position which is capable of further derivatisation. The formed phenylether N-(trans-4-isopropylcyclohexanecarbonyl)-O-(2-hydroxyethyl)-D-tyrosin benzylester was tried to be tosylated according to several literature procedures but none of them was applicable. The catalytic influence of ytterbium(III)triflate in the reaction of toluenesulfonic acid anhydride and the alcohol was investigated. It was found that Yb(III) facilitates the tosylation of the alcohol under non-basic conditions and was extended to the tosylation of a great variety of different alcohols to prove its applicability in general. The radioactive labelling of N-(trans-4-isopropyl-cyclohexanecarbonyl)-O-(2-[18F]fluoroethyl)-D-tyrosine with [18F]F-/ Kryptofix® 222/ K2CO3-system was achieved in radiochemical yields (RCY) of 10 % after deprotection with Pd/ C and H2. In addition to the direct labelling approach, a labelling procedure applying 2[18F]fluoroethyltosylate and N-(trans-4-isopropyl-cyclohexanecarbonyl)-D-tyrosin was performed in 40 % RCY. Unfortunately the determination of the KD value of N-(trans-4-isopropylcyclohexanecarbonyl)-O-(2-fluoroethyl)-D-tyrosine revealed a significant decrease in affinity compared to original nateglinide. The in vivo evaluation of some 18F-labelled glibenclamide derivatives in humans and animals revealed that longer measuring times are warranted because a high liver uptake spoiles the data acquisition and the activity washout proceeds very slowly. Therefore glibenclamide was labelled with a radioisotope with a longer half life such as 99mTc (t1/2 = 6 h) to lengthen the possible time frame for image acquisition. The synthesis of a 99mTc labelled hydrophilic glibenclamide derivative was performed. It is hoped that gliben-clamide is internalised into the b-cell and there binds to the 95 % of intracellular SUR-1 receptors with eventual metablolisation and thus trapping in the cell. The KD-value of the corresponding Re-compound was determined to be 0.5 nM and the insulin secretion properties were similar to those of original glibenclamide. The labelling precursor N-{4-[N,N-bis-(carboxy-methyl)-aminoethyl)-5-chlorobenzene-carboxamido]-ethyl}-benzene-sulfonyl-N'-cyclohexyl urea tris sodium salt was reacted with [99mTc(I)(OH2)3(CO)3] Cl to yield the final N-{4-[99mTc(I)-tricarbonyl-N,N-bis-(carboxymethyl)-aminoethyl)-5-chloro-benzene-carboxamidoethyl]-benzene-sulfonyl}-N'-cyclo-hexyl-urea sodium salt in 70% RCY.

Idrogenazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale in fase omogenea: studio dell'attività catalitica del complesso di Shvo

Il presente lavoro di tesi è frutto di una collaborazione fra il Dipartimento di Chimica Fisica ed Inorganica (gruppo del Prof. Valerio Zanotti – Mattia Vaccari, Dr. Rita Mazzoni) ed il Dipartimento di Chimica Industriale e dei Materiali (gruppo del Prof. Angelo Vaccari – Dr. Thomas Pasini, Dr. Stefania Albonetti, Prof. Fabrizio Cavani) e si inserisce il un progetto volto a valutare l’attività e la selettività del catalizzatore di idrogenazione di Shvo 1, verso l’idrogenazione selettiva del doppio legame polare del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) in fase omogenea. L’HMF è un composto di natura organica facilmente ottenibile dalle biomasse, il quale può essere impiegato come building block per ottenere prodotti ad alto valore aggiunto per la chimica fine o additivi per biocarburanti aventi un elevato potere calorifico. In particolare la nostra attenzione si è rivolta alla produzione del 2,5-diidrossimetilfurano (BHMF), un importante building block per la produzione di polimeri e schiume poliuretaniche. Il lavoro di tesi da me svolto ha riguardato la messa a punto di una nuova metodologia sintetica per la preparazione del catalizzatore di Shvo e lo studio della sua attività catalitica nella riduzione di HMF a BHMF. Il comportamento del catalizzatore è stato monitorato studiando la resa in BHMF in funzione di tutti i parametri di reazione: temperatura, pressione di H2, solvente, rapporto molare substrato/catalizzatore, concentrazione, tempo. Successivamente è stata valutata la possibilità di riciclare il catalizzatore recuperando il prodotto di estrazione con acqua, per precipitazione o eseguendo la reazione in miscela bifasica (toluene/H2O). The present work is a collaboration between the Department of Physics and Inorganic Chemistry (group of Prof. Valerio Zanotti - Mattia Vaccari, Dr. Rita Mazzoni) and the Department of Industrial Chemistry and Materials (Group of Prof. Angelo Vaccari - Dr. Thomas Pasini, Dr. Stefania Albonetti, Prof. Fabrizio Cavani), and it’s a project devoted to evaluate the activity and selectivity of the Shvo catalyst, in the selective hydrogenation of polar double bond of 5 -hydroxymethylfurfural (HMF) in homogeneous phase. The HMF is an organic compound easily obtained from biomass, which can be used as a building block for fine chemicals abd polymer production or additives for biofuels with a high calorific value. In particular, our attention turned to the production of 2.5-bishydroxymethylfuran (BHMF), an important building block for the production of polymers and polyurethane foams. This thesis has involved the development of a new synthetic methodology for the preparation of Shvo’s catalyst and the study of its catalytic activity in the reduction of HMF to BHMF. The behavior of the catalyst was monitored by studying the yield in BHMF as a function of all the reaction parameters: temperature, pressure of H2, solvent, substrate to catalyst molar ratio, concentration, time. Subsequently it was evaluated the possibility of recycling the catalyst recovering the product of extraction with water, by precipitation or performing the reaction in biphasic mixture (toluene/H2O).