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

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

Progress in nanostructured photoanodes for dye-sensitized solar cells

Solar cells represent a principal energy technology to convert light into electricity. Commercial solar cells are at present predominately produced by single- or multi-crystalline silicon wafers. The main drawback to silicon-based solar cells, however, is high material and manufacturing costs. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have attracted much attention during recent years because of the low production cost and other advantages. The photoanode (working electrode) plays a key role in determining the performance of DSSCs. In particular, nanostructured photoanodes with a large surface area, high electron transfer efficiency, and low electron recombination facilitate to prepare DSSCs with high energy conversion efficiency. In this review article, we summarize recent progress in the development of novel photoanodes for DSSCs. Effect of semiconductor material (e.g. TiO2, ZnO, SnO2, N2O5, and nano carbon), preparation, morphology and structure (e.g. nanoparticles, nanorods, nanofibers, nanotubes, fiber/particle composites, and hierarchical structure) on photovoltaic performance of DSSCs is described. The possibility of replacing silicon-based solar cells with DSSCs is discussed.

New perspectives on the annihilation electrogenerated chemiluminescence of mixed metal complexes in solution

Preliminary explorations of the annihilation electrogenerated chemiluminescence (ECL) of mixed metal complexes have revealed opportunities to enhance emission intensities and control the relative intensities from multiple luminophores through the applied potentials. However, the mechanisms of these systems are only poorly understood. Herein, we present a comprehensive characterisation of the annihilation ECL of mixtures of tris(2,2′-bipyridine)ruthenium(ii) hexafluorophosphate ([Ru(bpy)3](PF6)2) and fac-tris(2-phenylpyridine)iridium(iii) ([Ir(ppy)3]). This includes a detailed investigation of the change in emission intensity from each luminophore as a function of both the applied electrochemical potentials and the relative concentrations of the two complexes, and a direct comparison with two mixed (Ru/Ir) ECL systems for which emission from only the ruthenium-complex was previously reported. Concomitant emission from both luminophores was observed in all three systems, but only when: (1) the applied potentials were sufficient to generate the intermediates required to form the electronically excited state of both complexes; and (2) the concentration of the iridium complex (relative to the ruthenium complex) was sufficient to overcome quenching processes. Both enhancement and quenching of the ECL of the ruthenium complex was observed, depending on the experimental conditions. The observations were rationalised through several complementary mechanisms, including resonance energy transfer and various energetically favourable electron-transfer pathways.

Microbial nanowires : an electrifying tale

Electromicrobiology has gained momentum in the last ten years with advances in microbial fuel cells and the discovery of microbial nanowires (MNWs). The list of MNWs producing microorganisms is growing and providing intriguing insights into the presence of such microorganisms in diverse environments and the potential roles MNWs can perform. This review discusses the MNWs produced by different microorganisms, including their structure, composition and role in electron transfer through MNWs. Two hypotheses, metallic-like conductivity and an electron hopping model, have been proposed for electron transfer and we present a current understanding of both these hypotheses. MNWs are not only poised to change the way we see microorganisms but may also impact the fields of bioenergy, biogeochemistry and bioremediation, hence their potential applications in these fields are highlighted here.

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

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

BODIPY-Porphyrazin-Hybride als panchromatische Lichtsammelsysteme für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) spielen Chromophore, die als Lichtsammel- und Energie-/Elektronentransfersysteme fungieren, eine zentrale Rolle. Phthalocyanine mit ihren intensiven Absorptionsbanden um 400 nm und 700 nm besitzen großes Potential für die effektive Sensibilisierung von Solarzellen. Trotz ihrer vielversprechenden physikochemischen Eigenschaften und intensiver Bemühungen erreichen Phthalocyanin-sensibilisierte Solarzellen nicht die Effizienzen, die bisher mit anderen Chromophorklassen erzielt werden konnten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung effizienter Lichtsammelsysteme für DSSC auf der Basis von Aza-substituierten Phthalocyaninen, sogenannten Pyrazinoporphyrazinen, verfolgt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einer Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Chromophore im Bereich ihrer intrinsischen Absorptionslücke zwischen den Maxima um 400 nm und 700 nm. Um diese optische Lücke zu schließen wurden komplementär absorbierende BODIPY-Farbstoffe kovalent an synthetisch maßgeschneiderte Porphyrazine gebunden. Insgesamt wurden sechs neue Porphyrazin-Sensibilisatoren synthetisiert und photophysikalisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Alle in dieser Arbeit untersuchten Porphyrazine tragen sterisch anspruchsvolle Tri(p-tolyl)propinyl-Gruppen um Agglomerationen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden die Porphyrazine peripher entweder mit Hydroxy- oder Carboxygruppen als Bindungsstellen für oxidische Materialien ausgestattet sowie mit sechs BODIPY-Auxiliarfarbstoffen funktionalisiert, deren Substitutionsmuster variiert wurden. Zur Darstellung der komplexen Porphyrazine wurde eine Syntheseroute erarbeitet, die statistische Cyclisierungen unterschiedlicher Dinitril-Vorstufen beinhaltete und es ermöglichte, funktionelle Gruppen erst am vorgeformten Makrocyclus einzuführen. Die photophysikalische Untersuchung der hochfunktionalisierten Farbstoffe erfolgte über UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie. Im Fall der BODIPY-Porphyrazin-Hybride schließt die zusätzliche Absorptionsbande der peripheren BODIPY-Einheiten die intrinsische Absorptionslücke der Porphyrazine. Die Hybride zeigen somit eine breite Absorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich mit hohen Extinktionskoeffizienten von ca. 4·10^5 M^−1cm^−1. Mittels Fluoreszenz- und Anregungsspektren wurde ein photoinduzierter Energie-transfer von den BODIPY-Einheiten auf den Porphyrazinkern nachgewiesen. Das elektrochemische Verhalten der BODIPY- und Porphyrazin-Verbindungen wurde mittels Cyclo- und Square-Wave-Voltammetrie untersucht. Die Effizienzen der Lichtenergieumwandlung wurden mit Hilfe von selbst-hergestellten und standardisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen bewertet. Alle Solarzellen zeigten eine messbare Photoaktivität unter Bestrahlung. Die Wirkungsgrade der Zellen lagen jedoch alle unter 1 %. Generell führten die Carboxyl-funktionalisierten Porphyrazine zu besseren Wirkungsgraden als die analogen, mit der tripodalen Ankergruppe ausgestatteten Derivate. Die mit Hilfe von Adsorptionsisothermen ermittelten Bindungskonstanten der Adsorption der Farbstoffe auf der TiO2-Oberfläche zeigten, dass beide Hafteinheiten eine feste Verankerung der Chromophore auf den TiO2-Elektroden ermöglichten. Insgesamt wirkte sich die Präsenz der peripheren BODIPY-Farbstoffe positiv auf die Wirkungsgrade der Solarzellen aus, jedoch nur in geringem Maß. Dieses Ergebnis wurde hauptsächlich auf die geringe Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante des TiO2 und den LUMO-Energieniveaus der Chromophore zurückgeführt. Zusätzlich scheinen konkurrierende Prozesse wie die direkte Photoelektroneninjektion von den BODIPY-Einheiten in das TiO2 eine wichtige Rolle zu spielen. Neben der Anwendung in DSSC wurde die Wechselwirkung der Porphyrazine mit Graphen untersucht. Hierzu wurden A3B-Porphyrazine mit Pyrenyl-Seitenketten ausgestattet, die eine nicht-kovalente Verankerung des Chromophors auf Graphen ermöglichen. UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen gaben u.a. erste Hinweise auf eine elektronische Kommunikation zwischen den beiden Hybridpartnern.

Ozone-induced dissociation of conjugated lipids reveals significant reaction rate enhancements and characteristic odd-electron product ions

Ozone-induced dissociation (OzID) is an alternative ion activation method that relies on the gas phase ion-molecule reaction between a mass-selected target ion and ozone in an ion trap mass spectrometer. Herein, we evaluated the performance of OzID for both the structural elucidation and selective detection of conjugated carbon-carbon double bond motifs within lipids. The relative reactivity trends for \[M + X](+) ions (where X = Li, Na, K) formed via electrospray ionization (ESI) of conjugated versus nonconjugated fatty acid methyl esters (FAMEs) were examined using two different OzID-enabled linear ion-trap mass spectrometers. Compared with nonconjugated analogues, FAMEs derived from conjugated linoleic acids were found to react up to 200 times faster and to yield characteristic radical cations. The significantly enhanced reactivity of conjugated isomers means that OzID product ions can be observed without invoking a reaction delay in the experimental sequence (i.e., trapping of ions in the presence of ozone is not required). This possibility has been exploited to undertake neutral-loss scans on a triple quadrupole mass spectrometer targeting characteristic OzID transitions. Such analyses reveal the presence of conjugated double bonds in lipids extracted from selected foodstuffs. Finally, by benchmarking of the absolute ozone concentration inside the ion trap, second order rate constants for the gas phase reactions between unsaturated organic ions and ozone were obtained. These results demonstrate a significant influence of the adducting metal on reaction rate constants in the fashion Li > Na > K.

Bond dissociation energies of organic molecules

In this Account we have compiled a list of reliable bond energies that are based on a set of critically evaluated experiments. A brief description of the three most important experimental techniques for measuring bond energies is provided. We demonstrate how these experimental data can be applied to yield the heats of formation of organic radicals and the bond enthalpies of more than 100 representative organic molecules.

Contrast transfer function correction applied to cryo-electron tomography and sub-tomogram averaging

Cryo-electron tomography together with averaging of sub-tomograms containing identical particles can reveal the structure of proteins or protein complexes in their native environment. The resolution of this technique is limited by the contrast transfer function (CTF) of the microscope. The CTF is not routinely corrected in cryo-electron tomography because of difficulties including CTF detection, due to the low signal to noise ratio, and CTF correction, since images are characterised by a spatially variant CTF. Here we simulate the effects of the CTF on the resolution of the final reconstruction, before and after CTF correction, and consider the effect of errors and approximations in defocus determination. We show that errors in defocus determination are well tolerated when correcting a series of tomograms collected at a range of defocus values. We apply methods for determining the CTF parameters in low signal to noise images of tilted specimens, for monitoring defocus changes using observed magnification changes, and for correcting the CTF prior to reconstruction. Using bacteriophage PRDI as a test sample, we demonstrate that this approach gives an improvement in the structure obtained by sub-tomogram averaging from cryo-electron tomograms.

A novel investigation of vapor-phase charge-transfer complexes of halogens with n-donors by electron energy loss spectroscopy

Complexes of I2 with diethyl ether and triethylamine and of Br, with diethyl ether have been investigated in the vapor phase for the first time by employing electron energy loss spectroscopy. Besides the CT bands, blue-shifted vacuum-UV bands of the halogens have been assigned; the amine-I, system appears to exhibit two CT bands,associated with two different excited states of the complex.

Theoretical Studies on Coupled Electron and Proton Transfer in Cytochrome c Oxidase

The complexity of life is based on an effective energy transduction machinery, which has evolved during the last 3.5 billion years. In aerobic life, the utilization of the high oxidizing potential of molecular oxygen powers this machinery. Oxygen is safely reduced by a membrane bound enzyme, cytochrome c oxidase (CcO), to produce an electrochemical proton gradient over the mitochondrial or bacterial membrane. This gradient is used for energy-requiring reactions such as synthesis of ATP by F0F1-ATPase and active transport. In this thesis, the molecular mechanism by which CcO couples the oxygen reduction chemistry to proton-pumping has been studied by theoretical computer simulations. By building both classical and quantum mechanical model systems based on the X-ray structure of CcO from Bos taurus, the dynamics and energetics of the system were studied in different intermediate states of the enzyme. As a result of this work, a mechanism was suggested by which CcO can prevent protons from leaking backwards in proton-pumping. The use and activation of two proton conducting channels were also enlightened together with a mechanism by which CcO sorts the chemical protons from pumped protons. The latter problem is referred to as the gating mechanism of CcO, and has remained a challenge in the bioenergetics field for more than three decades. Furthermore, a new method for deriving charge parameters for classical simulations of complex metalloenzymes was developed.

A measurement of inclusive quasi-elastic electron scattering cross sections at high momentum transfer

We have measured inclusive electron-scattering cross sections for targets of ^(4)He, C, Al, Fe, and Au, for kinematics spanning the quasi-elastic peak, with squared, four­ momentum transfers (q^2) between 0.23 and 2.89 (GeV/c)^2. Additional data were measured for Fe with q^2's up to 3.69 (GeV/c)^2 These cross sections were analyzed for the y-scaling behavior expected from a simple, impulse-approximation model, and are found to approach a scaling limit at the highest q^2's. The q^2 approach to scaling is compared with a calculation for infinite nuclear matter, and relationships between the scaling function and nucleon momentum distributions are discussed. Deviations from perfect scaling are used to set limits on possible changes in the size of nucleons inside the nucleus.

I. Proton magnetic resonance of polynucleotides and transfer RNA. II. Electron spin relaxation studies of manganese (II) complexes in acetonitrile

Part I. Proton Magnetic Resonance of Polynucleotides and Transfer RNA.

Proton magnetic resonance was used to follow the temperature dependent intramolecular stacking of the bases in the polynucleotides of adenine and cytosine. Analysis of the results on the basis of a two state stacked-unstacked model yielded values of -4.5 kcal/mole and -9.5 kcal/mole for the enthalpies of stacking in polyadenylic and polycytidylic acid, respectively.

The interaction of purine with these molecules was also studied by pmr. Analysis of these results and the comparison of the thermal unstacking of polynucleotides and short chain nucleotides indicates that the bases contained in stacks within the long chain poly nucleotides are, on the average, closer together than the bases contained in stacks in the short chain nucleotides.

Temperature and purine studies were also carried out with an aqueous solution of formylmethionine transfer ribonucleic acid. Comparison of these results with the results of similar experiments with the homopolynucleotides of adenine, cytosine and uracil indicate that the purine is probably intercalating into loop regions of the molecule.

The solvent denaturation of phenylalanine transfer ribonucleic acid was followed by pmr. In a solvent mixture containing 83 volume per cent dimethylsulf oxide and 17 per cent deuterium oxide, the tRNA molecule is rendered quite flexible. It is possible to resolve resonances of protons on the common bases and on certain modified bases.

Part II. Electron Spin Relaxation Studies of Manganese (II) Complexes in Acetonitrile.

The electron paramagnetic resonance spectra of three Mn⁺² complexes, [Mn(CH₃CN)₆]⁺², [MnCl₄]^-2, and [MnBr₄]^-2, in acetonitrile were studied in detail. The objective of this study was to relate changes in the effective spin Hamiltonian parameters and the resonance line widths to the structure of these molecular complexes as well as to dynamical processes in solution.

Of the three systems studied, the results obtained from the [Mn(CH₃CN)₆]⁺² system were the most straight-forward to interpret. Resonance broadening attributable to manganese spin-spin dipolar interactions was observed as the manganese concentration was increased.

In the [MnCl₄]^-2 system, solvent fluctuations and dynamical ion-pairing appear to be significant in determining electron spin relaxation.

In the [MnBr₄]^-2 system, solvent fluctuations, ion-pairing, and Br- ligand exchange provide the principal means of electron spin relaxation. It was also found that the spin relaxation in this system is dependent upon the field strength and is directly related to the manganese concentration. A relaxation theory based on a two state collisional model was developed to account for the observed behavior.

Transfer property of electron pulse in a femto-second electron diffraction system

An ultra-fast electron diffraction system has been designed. The static and dynamic characters of an electron pulse with 150 fs temporal dispersion are studied during its transmission in the whole ultra-fast electron diffraction system, including the size of the electron spot, temporal dispersion, distribution of azimuths and elevation angles. The initial status of the photoelectrons are put down by Monte Carlo method, both the two dimensional and three dimensional electric fields are calculated by finite difference method and the magnetic flux are. calculated by finite element method.