Rapid, simple method for determining the porosity of mesoporous TiO2 films using a quartz crystal microbalance (QCM)

Two different mesoporous films of TiO2 were coated onto a QCM disc and fired at 450o C for 30 min. The first film was derived from a sol-gel paste that was popular in the early days of dye-sensitised solar cell, i.e. dssc, research, a TiO2(sg) film. The other was a commercial colloidal paste used to make examples of the current dssc cell; a TiO2(ds) film. A QCM was used to determine the mass of the TiO2 film deposited on each disc and the increase in the mass of the film when immersed in water/glycerol solutions with wt% values spanning the range 0-70%. The results of this work reveal that with both TiO2 mesoporous films the solution fills the film's pores and acts as a rigid mass, thereby allowing the porosity of each film to be calculated as: 59.1% and 71.6% for the TiO2(sg) and TiO2(ds) films, respectively. These results, coupled with surface area data, allowed the pore radii of the two films to be calculated as: 9.6 and 17.8 nm, respectively. This method is then simplified further, to just a few frequency measurements in water and only air to reveal the same porosity values. The value of the latter ‘one point’ method for making porosity measurements is discussed briefly.

An effective three-dimensional ordered mesoporous ZnCo2O4 as electrocatalyst for Li-O2 batteries

Three-dimensional ordered mesoporous (3DOM) ZnCo₂O₄ materials have been synthesized via a hard template and used as bifunctional electrocatalysts for rechargeable Li-O₂ batteries. The as-prepared ZnCo₂O₄ nanoparticles possess a high specific surface area of 127.2 m² g^-1 and a spinel crystalline structure. The Li-O₂ battery utilizing 3DOM ZnCo₂O₄ shows a higher specific capacity of 6024 mAh g^-1 than that with pure Ketjen black (KB). Moreover, the ZnCo₂O₄-based electrode enables much enhanced cyclability with a smaller discharge-recharge voltage gap than that of the carbon-only cathode. Such excellent catalytic performance of ZnCo₂O₄ could be associated with its larger surface area and 3D ordered mesoporous structure

Predator-free space, functional responses and invasions.

1. Predator–prey interactions are mediated by the structural complexity of habitats, but disentangling the many facets of structure that contribute to this mediation remains elusive. In a world replete with altered landscapes and biological invasions, determining how structure mediates the interactions between predators and novel prey will contribute to our understanding of invasions and predator–prey dynamics in general.
2. Here, using simplified experimental arenas, we manipulate predator-free space, whilst holding surface area and volume constant, to quantify the effects on predator–prey interactions between two resident gammarid predators and an invasive prey, the Ponto-Caspian corophiid Chelicorophium curvispinum.
3. Systematically increasing predator-free space alters the functional responses (the relationship between prey density and consumption rate) of the amphipod predators by reducing attack rates and lengthening handling times. Crucially, functional response shape also changes subtly from destabilizing Type II towards stabilizing Type III, such that small increases in predator-free space to result in significant reductions in prey consumption at low prey densities.
4. Habitats with superficially similar structural complexity can have considerably divergent consequences for prey population stability in general and, particularly, for invasive prey establishing at low densities in novel habitats.

Storage of sediment-associated nutrients and contaminants in river channel and floodplain systems

Samples of fine-grained channel bed sediment and overbank floodplain deposits were collected along the main channels of the Rivers Aire (and its main tributary, the River Calder) and Swale, in Yorkshire, UK, in order to investigate downstream changes in the storage and deposition of heavy metals (Cr, Cu, Pb, Zn), total P and the sum of selected PCB congeners, and to estimate the total storage of these contaminants within the main channels and floodplains of these river systems. Downstream trends in the contaminant content of the <63 μm fraction of channel bed and floodplain sediment in the study rivers are controlled mainly by the location of the main sources of the contaminants, which varies between rivers. In the Rivers Aire and Calder, the contaminant content of the <63 μm fraction of channel bed and floodplain sediment generally increases in a downstream direction, reflecting the location of the main urban and industrialized areas in the middle and lower parts of the basin. In the River Swale, the concentrations of most of the contaminants examined are approximately constant along the length of the river, due to the relatively unpolluted nature of this river. However, the Pb and Zn content of fine channel bed sediment decreases downstream, due to the location of historic metal mines in the headwaters of this river, and the effect of downstream dilution with uncontaminated sediment. The magnitude and spatial variation of contaminant storage and deposition on channel beds and floodplains are also controlled by the amount of <63 μm sediment stored on the channel bed and deposited on the floodplain during overbank events. Consequently, contaminant deposition and storage are strongly influenced by the surface area of the floodplain and channel bed. Contaminant storage on the channel beds of the study rivers is, therefore, generally greatest in the middle and lower reaches of the rivers, since channel width increases downstream. Comparisons of the estimates of total storage of specific contaminants on the channel beds of the main channel systems of the study rivers with the annual contaminant flux at the catchment outlets indicate that channel storage represents <3% of the outlet flux and is, therefore, of limited importance in regulating that flux. Similar comparisons between the annual deposition flux of specific contaminants to the floodplains of the study rivers and the annual contaminant flux at the catchment outlet, emphasise the potential importance of floodplain deposition as a conveyance loss. In the case of the River Aire the floodplain deposition flux is equivalent to between ca. 2% (PCBs) and 36% (Pb) of the outlet flux. With the exception of PCBs, for which the value is ≅0, the equivalent values for the River Swale range between 18% (P) and 95% (Pb). The study emphasises that knowledge of the fine-grained sediment delivery system operating in a river basin is an essential prerequisite for understanding the transport and storage of sediment-associated contaminants in river systems and that conveyance losses associated with floodplain deposition exert an important control on downstream contaminant fluxes and the fate of such contaminants. © 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Application of a cw quantum cascade laser CO2 analyser to catalytic oxidation reaction monitoring

Catalytic oxidation reaction monitoring has been performed for the first time with a trace gas carbon dioxide analyser based on a continuous wave (cw), thermoelectrically cooled (TEC), distributed feedback (DFB) quantum cascade laser (QCL) operating at around 2307 cm^-1. The reaction kinetics for carbon monoxide oxidation over a platinum catalyst supported on yttria-stabilised zirconia were followed by the QCL CO₂ analyser and showed that it is a powerful new tool for measuring low reaction rates associated with low surface area model catalysts operating at atmospheric pressures. A detection limit was determined of 40 ppb (1 standard deviation) for a 0.1 s average and a residual absorption standard deviation of 1.9×10^-4. © 2012 Springer-Verlag.

Carbons, Ionic Liquids, and Quinones for Electrochemical Capacitors

Carbons are the main electrode materials used in supercapacitors, which are electrochemical energy storage devices with high power densities and long cycling lifetimes. However, increasing their energy density capacity will improve their potential for commercial implementation.
In this regard, the use of high surface area carbons and high voltage electrolytes are well known strategies to increase the attainable energy density, and lately ionic liquids have been explored as promising alternatives to current state of the art acetonitrile-based electrolytes. Also, in terms of safety and sustainability ionic liquids are attractive electrolyte materials for supercapacitors. In addition, it has been shown that the matching of the carbon pore size with the electrolyte ion size further increases the attainable electrochemical double layer (ECDL) capacitance and energy density.
The use of pseudocapacitive reactions can significantly increase the attainable energy density, and quinonic-based materials offer a potentially sustainable and cost effective research avenue for both the electrode and the electrolyte.
This perspective will provide an overview of the current state of the art research on supercapacitors based on combinations of carbons, ionic liquids and quinonic compounds, highlighting performances and challenges and discussing possible future research avenues. In this regard, current interest is mainly focused on strategies which may ultimately lead to commercially competitive sustainable high performance supercapacitors for different applications including those requiring mechanical flexibility and biocompatibility.

Rapid glacial retreat on the Kamchatka Peninsula during the early 21st Century

Monitoring glacier fluctuations provides insights into changing glacial environments and recent climate change. The availability of satellite imagery offers the opportunity to view these changes for remote and inaccessible regions. Gaining an understanding of the ongoing changes in such regions is vital if a complete picture of glacial fluctuations globally is to be established. Here, satellite imagery (Landsat 7, 8 and ASTER) is used to conduct a multi-annual remote sensing survey of glacier fluctuations on the Kamchatka Peninsula (eastern Russia) over the 2000–2014 period. Glacier margins were digitised manually and reveal that, in 2000, the peninsula was occupied by 673 glaciers, with a total glacier surface area of 775.7 ± 27.9 km2 . By 2014, the number of glaciers had increased to 738 (reflecting the fragmentation of larger glaciers), but their surface area had decreased to 592.9 ± 20.4 km2 . This represents a ∼ 24 % decline in total glacier surface area between 2000 and 2014 and a notable acceleration in the rate of area loss since the late 20th century. Analysis of possible controls indicates that these glacier fluctuations were likely governed by variations in climate (particularly rising summer temperatures), though the response of individual glaciers was modulated by other (non-climatic) factors, principally glacier size, local shading and debris cover.

Modelação molecular de associações entre aniões e receptores sintéticos

A aplicação de simulações de mecânica e dinâmica molecular ao estudo de sistemas supramoleculares tem adquirido, ao longo dos últimos anos, enorme relevância. A sua utilização não só tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos de formação desses mesmos sistemas, como também tem fornecido um meio para o desenvolvimento de novas arquitecturas supramoleculares. Nesta tese são descritos os trabalhos de mecânica e dinâmica molecular desenvolvidos no âmbito do estudo de associações supramoleculares entre aniões e receptores sintéticos do tipo [2]catenano, [2]rotaxano e pseudorotaxano. São ainda estudados complexos supramoleculares envolvendo receptores heteroditópicos do tipo calix[4]diquinona e pares iónicos formados por aniões halogeneto e catiões alcalinos e amónio. Os estudos aqui apresentados assentam essencialmente em duas vertentes: no estudo das propriedades dinâmicas em solução dos vários complexos supramoleculares considerados e no cálculo das energias livres de Gibbs de associação relativas dos vários iões aos receptores sintéticos. As metodologias utilizadas passaram por dinâmica molecular convencional e REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics), para o estudo das propriedades em solução, e por cálculos de integração termodinâmica e MMPBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area), para a computação das energias livres de associação relativas. Os resultados obtidos, além de terem permitido uma visão mais detalhada dos mecanismos envolvidos no reconhecimento e associação dos vários receptores aos aniões e pares iónicos abordados, encontram-se, globalmente, de acordo com os análogos determinados experimentalmente, validando assim as metodologias empregadas. Em jeito de conclusão, investigou-se ainda a capacidade de um dos receptores heteroditópicos estudados para assistir favoravelmente na migração do par iónico KCl através da interface água-clorofórmio. Para tal, foram utilizadas simulações SMD (Steered Molecular Dynamics) para a computação do perfil de energia livre de Gibbs associada à migração do par iónico através da interface.

Synthesis and functionalization of hydroxyapatite nanoparticles

Graças aos desenvolvimentos na área da síntese de nanomaterais e às potentes técnicas de caracterização à nanoescala conseguimos hoje visualizar uma nanopartícula (NP) como um dispositivo de elevado potencial terapêutico. A melhoria da sua efectividade terapêutica requer no entanto o aprofundamento e sistematização de conhecimentos, ainda muito incipientes, sobre toxicidade, selectividade, efeitos colaterais e sua dependência das próprias características físico-químicas da NP em análise. O presente trabalho, elegendo como alvo de estudo uma substância considerada biocompatível e não tóxica, a hidroxiapatite (Hap), pretende dar um contributo para esta área do conhecimento. Definiram-se como metas orientadoras deste trabalho (i) estudar a síntese de nanoparticulas de Hap (Hap NP), e a modificação das características físico-químicas e morfológicas das mesmas através da manipulação das condições de síntese; (ii) estudar a funcionalização das Hap NP com nanoestruturas de ouro e com ácido fólico, para lhes conferir capacidades acrescidas de imagiologia e terapêuticas, particularmente interessantes em aplicações como o tratamento do cancro (iii) estudar a resposta celular a materiais nanométricos, com propriedades físico-químicas diversificadas. No que se refere à síntese de Hap NP, comparam-se dois métodos de síntese química distintos, a precipitação química a temperatura fisiológica (WCS) e a síntese hidrotérmica (HS), em meios aditivados com ião citrato. A síntese WCS originou partículas de tamanho nanométrico, com uma morfologia de agulha, pouco cristalinas e elevada área superficial especifica. A síntese HS à temperatura de 180ºC permitiu obter partículas de dimensões também nanométricas mas com área específica inferior, com morfologia de bastonete prismático com secção recta hexagonal e elevada cristalinidade. Com o objectivo de aprofundar o papel de algumas variáveis experimentais na definição das características finais das partículas de hidroxiapatite, designadamente o papel do ião citrato (Cit), variou-se a razão molar [Cit/Ca] da solução reagente e o tempo de síntese. Demonstrou-se que o ião citrato e outras espécies químicas resultantes da sua decomposição nas condições térmicas (180ºC) de síntese tem um papel preponderante na velocidade de nucleação e de crescimento dessas mesmas partículas e por conseguinte nas características físico-químicas das mesmas. Elevadas razões [Cit/Ca] originam partículas de dimensão micrométrica cuja morfologia é discutida no contexto do crescimento com agregação. Com o objectivo de avaliar a citotoxicidade in vitro das nanopartículas sintetizadas procedeu-se à esterilização das mesmas. O método de esterilização escolhido foi a autoclavagem a 121º C. Avaliou-se o impacto do processo de esterilização nas características das partículas, verificando-se contrariamente às partículas WCS, que as partículas HS não sofrem alterações significativas de morfologia, o que se coaduna com as condições de síntese das mesmas, que são mais severas do que as de esterilização. As partículas WCS sofrem processos de dissolução e recristalização que se reflectem em alterações significativas de morfologia. Este estudo demonstrou que a etapa de esterilização de nanopartículas para aplicações biomédicas, por autoclavagem, pode alterar substancialmente as propriedades das mesmas, sendo pois criticamente importante caracterizar os materiais após esterilização. Os estudos citotoxicológicos para dois tipos de partículas esterilizadas (HSster e WCSster) revelaram que ambas apresentam baixa toxicidade e possuem potencial para a modelação do comportamento de células osteoblásticas. Tendo em vista a funcionalização da superfície das Hap NP para multifunções de diagnóstico e terapia exploraram-se condições experimentais que viabilizassem o acoplamento de nanopartículas de ouro à superfície das nanopartículas de Hidroxiapatite (Hap-AuNP). Tirando partido da presença de grupos carboxílicos adsorvidos na superfície das nanopartículas de Hap foi possível precipitar partículas nanométricas de ouro (1,5 a 2,5 nm) na superfície das mesmas adaptando o método descrito por Turkevich. No presente trabalho as nanopartículas de Hap funcionaram assim como um template redutor do ouro iónico de solução, propiciando localmente, na superfície das próprias nanopartículas de Hap, a sua redução a ouro metálico. A nucleação do ouro é assim contextualizada pelo papel redutor das espécies químicas adsorvidas, designadamente os grupos carboxílicos derivados de grupos citratos que presidiram à síntese das próprias nanopartículas de Hap. Estudou-se também a funcionalização das Hap NP com ácido fólico (FA), uma molécula biologicamente interessante por ser de fácil reconhecimento pelos receptores existentes em células cancerígenas. Os resultados confirmaram a ligação do ácido fólico à superfície das diferentes partículas produzidas HS e Hap-AuNPs. Graças às propriedades ópticas do ouro nanométrico (efeito plasmão) avaliadas por espectroscopia vis-UV e às potencialidades de hipertermia local por conversão fototérmica, as nanoestruturas Hap-AuNPs produzidas apresentam-se com elevado interesse enquanto nanodispositivos capazes de integrar funções de quimio e terapia térmica do cancro e imagiologia. O estudo da resposta celular aos diversos materiais sintetizados no presente trabalho foi alvo de análise na tentativa de se caracterizar a toxicidade dos mesmos bem como avaliar o seu desempenho em aplicações terapêuticas. Demonstrou-se que as Hap NP não afectam a proliferação das células para concentrações até 500 g/ml, observando-se um aumento na expressão genética da BMP-2 e da fosfatase alcalina. Verificou-se também que as Hap NP são susceptíveis de internalização por células osteoblásticas MG63, apresentando uma velocidade de dissolução intracelular relativamente reduzida. A resposta celular às Hap-AuNP confirmou a não citotoxicidade destas partículas e revelou que a presença do ouro na superfície das Hap NP aumenta a taxa proliferação celular, bem como a expressão de parâmetros osteogénicos. No seu conjunto os resultados sugerem que os vários tipos de partículas sintetizadas no presente estudo apresentam também comportamentos interessantes para aplicações em engenharia de tecido ósseo.

Cimentos de fosfato de magnésio: consolidação e caracterização

A reação entre o óxido de magnésio (MgO) e o fosfato de monoamónio (MAP), à temperatura ambiente, origina os cimentos de fosfato de magnésio, materiais caracterizados pela sua presa rápida e pelas excelentes propriedades mecânicas adquiridas precocemente. As propriedades finais são dependentes, essencialmente, da composição do cimento (razão molar magnésia:fosfato e utilização de retardantes de presa) mas também são influenciadas pela reatividade da magnésia utilizada. Neste trabalho, a reação foi caracterizada através do estudo da influência da razão molar MgO:MAP (variando de 1:1 até 8:1), da presença e teor de aditivos retardantes (ácido bórico, ácido cítrico e tripolifosfato de sódio) e da variação da área superficial específica da magnésia (conseguida por calcinação do óxido), no tempo de presa, na temperatura máxima atingida e nas fases cristalinas finais formadas. A reação de presa pode ser comparada à hidratação do cimento Portland, com a existência de 4 estágios (reação inicial, indução, aceleração e desaceleração), com a diferença que estes estágios ocorrem a velocidade muito mais alta nos cimentos de fosfato de magnésio. Este estudo foi realizado utilizando a espetroscopia de impedâncias, acompanhada pela monitorização da evolução de temperatura ao longo do tempo de reação e, por paragem de reação, identificando as fases cristalinas formadas. A investigação do mecanismo de reação foi complementada com a observação da microestrutura dos cimentos formados e permitiu concluir que a origem da magnésia usada não afeta a reação nem as propriedades do cimento final. A metodologia de superfície de resposta foi utilizada para o estudo e otimização das características finais do produto, tendo-se mostrado um método muito eficaz. Para o estudo da variação da área superficial específica da magnésia com as condições de calcinação (temperatura e tempo de patamar) usou-se o planeamento fatorial de experiências tendo sido obtido um modelo matemático que relaciona a resposta da área superficial específica da magnésia com as condições de calcinação. As propriedades finais dos cimentos (resistência mecânica à compressão e absorção de água) foram estudadas utilizando o planeamento simplex de experiências, que permitiu encontrar modelos que relacionam a propriedade em estudo com os valores das variáveis (razão molar MgO:MAP, área superficial específica da magnésia e quantidade de ácido bórico). Estes modelos podem ser usados para formular composições e produzir cimentos com propriedades finais específicas.

A system approach framework to the management of lake Baringo, Kenya

Dissertação de Mestrado, Gestão da Água e da Costa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2010