Síntese e estudo de polioxotungstatos do tipo Keggin com interesse catalítico

O objectivo principal deste trabalho foi estudar as propriedades e comportamento de polioxotungstatos (POM) do tipo Keggin com interesse em catálise oxidativa. Os estudos efectuados centraram-se no comportamento electroquímico dos aniões em meio não aquoso, na estabilidade das suas estruturas em diferentes meios, na sua capacidade de catalisar a oxidação de diferentes substratos orgânicos e na sua eficácia em oxidar, de forma selectiva, um modelo não fenólico da lenhina. Efectuou-se, igualmente, o estudo estrutural de diversos aniões pela técnica de EXAFS. Neste trabalho, prepararam-se e caracterizaram-se alguns dos sais de tetra-n-butilamónio (TBA) dos polioxotungstatos estudados: compostos de Keggin, TBAx[XW12O40], lacunares, TBAxHy[XW11O39], mono-substituídos, TBAxHy[XW11M(H2O)O39]·nH2O, com X= P e Si e M = CoII, NiII, ZnII, CuIl, RuIII, MnIII e FeIII e os compostos com mistura de átomos adenda TBAx[XW11VO40]·nH2O (X = P e Si). Seleccionou-se este conjunto de polioxotungstatos de forma a efectuar-se um estudo comparativo da influência da natureza do heteroátomo central (P e Si) e dos metais de transição M nas propriedades estudadas. O conjunto de sais de TBA dos silicotungstatos estudados mostraram ser isoestruturais, apresentando a mesma estrutura dos fosfotungstatos análogos. O comportamento electroquímico dos polioxotungstatos foi estudado em soluções de acetonitrilo por voltametria cíclica e electrólise a potencial controlado. Verificou-se a ocorrência de vários processos mono-electrónicos de oxi-redução, reversíveis ou quasi-reversíveis, associados aos átomos de WVI/V e a alguns dos metais de transição. Os metais em estado de oxidação +3 reduziram-se mais facilmente do que os átomos de WVI. O metal CuII apresentou um comportamento diferente dos outros metais de transição. Este metal, na estrutura do POM, reduziu-se a CuI, proporcionando a observação do anião [PW11CuIO39]6- pela primeira vez. A redução posterior do CuI conduziu à formação de Cu0, que se depositou na superfície do eléctrodo. A re-oxidação do cobre a CuII conduziu à reconstituição da estrutura do POM, nas condições estudadas. Constatou-se que a ocorrência de protões na fórmula molecular dos POMs influenciou o seu comportamento electroquímico. Para os compostos que apresentam protões, a redução dos átomos de tungsténio ocorreu a potenciais menos negativos do que para aqueles que não apresentam protões na sua fórmula. Para os primeiros observou-se a transferência global de um maior número de electrões no mesmo intervalo de potencial, originando soluções fortemente azuladas. Quando os catiões tetra-n-butilamónio foram substituídos por catiões de menor dimensão, como Li+ e Na+, ocorreu a formação de pares iónicos com os polianiões [PW12O40]3- e [SiW11VO40]5-, originando um aumento do potencial de redução. Não houve evidência da formação de pares iónicos com os catiões TBA+. Este foi o primeiro estudo sistemático do comportamento electroquímico dos aniões lacunares e mono-substituídos em meio não aquoso. Estudou-se a estrutura dos polioxotungstatos em sais de TBA e em soluções de acetonitrilo. A aplicação da técnica de EXAFS ao estudo deste tipo de compostos em solução foi realizada pela primeira vez. Pela análise estrutural nos sólidos verificou-se que, a natureza do metal de transição M e do átomo central X, na estrutura do POM, influenciam o tamanho dos vários octaedros que o constituem. Não se observaram diferenças significativas nas estruturas dos polianiões em solução. A estabilidade da estrutura dos polioxometalatos na presença de um excesso de H2O2, em soluções de acetonitrilo/H2O foi analisada por espectroscopia de absorção de EXAFS, RMN de 31P, IV e espectrofotometria de absorção no UV-Vis. De uma forma geral, os POMs em que o átomo central da estrutura é o Si apresentaram maior estabilidade do que os POMs correspondentes com átomo de P no centro. Em solução de acetonitrilo, na ausência de H2O2, todos os aniões mostraram ser estáveis durante vários dias. Em solução, na presença de H2O2 em excesso (H2O2/POM = 1300), o anião lacunar [PW11O39]7- não é estável, transformando-se no anião de Venturello, {PO4[W(O)(O2)2]4}3-, após a formação de [PW12O40]3-, como produto intermediário. Em relação aos aniões substituídos [PW11M(H2O)O39]p-, M = MnIII, RuIII, FeIII, CoII e ZnII, verificou-se o seguinte na presença de H2O2: os aniões com MnIII e CoII transformaram-se no anião de Keggin, [PW12O40]3-. Os aniões de RuIII e FeIII mantiveram as suas estruturas e o anião de ZnII decompôs-se em {HPO4[W(O)(O2)2]2}2- e fosfato. Para estes casos de não estabilidade estrutural, o processo de decomposição foi mais rápido na presença de maiores conteúdos de água. Pela análise de EXAFS, na presença de um menor excesso de H2O2 (H2O2/POM = 70) e apenas 8% de parte aquosa, verificou-se que os aniões substituídos por MnIII mantiveram a sua estrutura, embora o ligando H2O, coordenado ao Mn, tivesse sido substituído por um grupo oxo no polianião [SiW11Mn(H2O)O39]5-, e por um grupo peroxo no polianião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O anião com RuIII, nestas condições, também mostrou substituir o seu ligando H2O por um grupo peroxo ou hidrogenoperoxo. Os polioxotungstatos mono-substituídos e lacunares mostraram ser catalisadores eficientes para a oxidação de cis-cicloocteno, geraniol e ciclooctano com H2O2. A maior novidade deste trabalho residiu na actividade catalítica apresentada pelos silicotungstatos estudados, contrariando o que é referido na literatura. Outro aspecto inovador foi o elevado valor de conversão obtido para a oxidação de ciclooctano. Este substrato foi oxidado com 74% de conversão, após 2h de reacção e com 80% de selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo, na presença do anião [PW11Fe(H2O)O39]4-. Os restantes produtos de reacção foram o ciclooctanol e a ciclooctanona. Os silicotungstatos apresentaram maior selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo do que os fosfotungstatos. O geraniol foi completamente oxidado após 3h de reacção, com 82% de selectividade para o 2,3-epoxigeraniol, na presença do anião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O cis-cicloocteno foi oxidado ao seu epóxido, com 92% de conversão ao fim de 5h de reacção, na presença do anião lacunar [PW11O39]7-. O estudo da capacidade oxidativa do anião [SiW11VO40]5- foi analisada utilizando-se um modelo não fenólico da lenhina, a anisoína. Estudaram-se as condições favoráveis à obtenção de uma reacção selectiva para o anisilo, de forma a poder estudar-se a cinética da reacção. A estequiometria da reacção mostrou ser de 1:2 anisoína/POM. As ordens de reacção foram determinadas pelo método das velocidades iniciais e, a partir destes resultados, conheceu-se que o POM não estava envolvido no passo que limita a velocidade da reacção, sendo esta limitada pela transformação da anisoína. O estudo realizado sobre o efeito isotópico sugeriu que o passo que limitou a velocidade de reacção correspondeu à enolação da anisoína. Desta forma, observou-se pela primeira vez, que o POM oxida um modelo não fenólico da lenhina por via de enolação.

Síntese e caracterização de espinélios a base de Cu, Fe e Cr para pigmentos cerâmicos

Inorganic pigment comprises a host lattice, which is part of the chromophore component (usually a transition metal cation) and possible components modifiers, which stabilize, add or restate the properties pigments. Among the materials with spinel, ferrites, and the chromite stand out, because they have broad technological importance in the area of materials, applicability, pigments, catalytic hydrogenation, thin film, ceramic tiles, among others. The present work, pigments containing CuFe2O4, CuCr2O4,e CuFeCrO4, were synthesized by a method that makes use of gelatin as organic precursor using their application to ceramic pigments. The pigments were characterized by X-ray diffraction (XRD), Infrared spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) spectroscopy in the UV-visible and Colorimetry. The results confirmed the feasibility of the synthetic route used, with respect to powders synthesized, there is the formation of spinel phase from 500°C, with an increase in crystallinity and the formation of other phases. The pigments were shown to be crystalline and the desired phases were obtained. The copper chromite have hues ranging from green to black according to the calcination temperature, while the copper chromite doped with iron had brownish. The ferrites showed copper color and darker brown to black, which may indicate an interesting factor because of the importance of black pigment

High On/Off ratio memristive switching of manganite/cuprate bilayer by interfacial magnetoelectricity

Memristive switching serves as the basis for a new generation of electronic devices. Memristors are two-terminal devices in which the current is turned on and off by redistributing point defects, e.g., vacancies, which is difficult to control. Memristors based on alternative mechanisms have been explored, but achieving both the high On/Off ratio and the low switching energy desirable for use in electronics remains a challenge. Here we report memristive switching in a La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_(3)/PrBa_(2)Cu_(3)O_(7) bilayer with an On/Off ratio greater than 103 and demonstrate that the phenomenon originates from a new type of interfacial magnetoelectricity. Using results from firstprinciples calculations, we show that an external electric-field induces subtle displacements of the interfacial Mn ions, which switches on/off an interfacial magnetic “dead” layer, resulting in memristive behavior for spin-polarized electron transport across the bilayer. The interfacial nature of the switching entails low energy cost about of a tenth of atto Joule for write/erase a “bit”. Our results indicate new opportunities for manganite/cuprate systems and other transition-metal-oxide junctions in memristive applications.

Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters

Abstract Title of Document: Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters Huang Qiu, Doctor of Philosophy, 2016 Directed By: Professor Michael P. Doyle, Department of Chemistry and Biochemistry Propargylic aryldiazoesters, which possess multiple reactive functional groups in a single molecule, were expected to undergo divergent reaction pathways as a function of catalysts. A variety of transition metal complexes including rhodium(II), palladium(II), silver(I), mercury(II), copper(I and II), and cationic gold (I) complexes have been examined to be effective in the catalytic domino reactions of propargylic aryldiazoesters. An unexpected Lewis acid catalyzed pathway was also discovered by using FeCl3 as the catalyst. Under the catalysis of selected gold catalysts, propargylic aryldiazoesters exist in equilibrium with 1-aryl-1,2-dien-1-yl diazoacetate allenes that are rapidly formed at room temperature through 1,3-acyloxy migration. The newly formed allenes further undergo a metal-free rearrangement in which the terminal nitrogen of the diazo functional group adds to the central carbon of the allene initiating a sequence of bond forming reactions resulting in the production of 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones in good yields. These 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones undergo intramolecular 1,3-acyl migration to form an equilibrium mixture or quantitatively transfer the acyl group to an external nucleophile with formation of 4-hydroxypyrazoles. In the presence of a pyridine-N-oxide, both E- and Z-1,3-dienyl aryldiazoacetates are formed in high combined yields by Au(I)-catalyzed rearrangement of propargyl arylyldiazoacetates at short reaction times. Under thermal reactions the E-isomers form the products from intramolecular [4+2]-cycloaddition with H‡298 = 15.6 kcal/mol and S‡298= -27.3 cal/ (mol•degree). The Z-isomer is inert to [4+2]-cycloaddition under these conditions. The Hammett relationships from aryl-substituted diazo esters ( = +0.89) and aryl-substituted dienes ( = -1.65) are consistent with the dipolar nature of this transformation. An unexpected reaction for the synthesis of seven-membered conjugated 1,4-diketones from propargylic diazoesters with unsaturated imines was disclosed. To undergo this process vinyl gold carbene intermediates generated by 1,2-acyloxy migration of propargylic aryldiazoesters undergo a formal [4+3]-cycloaddition, and the resulting aryldiazoesters tethered dihydroazepines undergo an intricate metal-free process to form observed seven-membered conjugated 1,4-diketones with moderate to high yields.

Síntese e caracterização de catalisadores de LaNiO3 não suportados e suportados em Al2O3 e ZrO2 para a reforma a vapor do metano

Ionic oxides with ABO3 structure, where A represents a rare earth element or an alkaline metal and B is a transition metal from group VIII of the periodic table are potential catalysts for oxidation and good candidates for steam reforming reaction. Different methods have been considered for the synthesis of the oxide materials with perovskite structure to produce a high homogeneous material with low amount of impurities and low calcination temperatures. In the current work, oxides with the LaNiO3 formula had been synthesized using the method of the polymeric precursors. The thermal treatment of the materials took place at 300 ºC for 2h. The material supported in alumina and/or zirconia was calcined at 800 ºC temperature for 4h. The samples had been characterized by the following techniques: thermogravimetry; infrared spectroscopy; X-ray diffraction; specific surface area; distribution of particle size; scanning electron microscopy and thermo-programmed reduction. The steam reforming reaction was carried out in a pilot plant using reducing atmosphere in the reactor with a mixture of 10% H2-Argon, a mass about 5g of catalyst, flowing at 50 mL.min-1. The temperature range used was 50 - 1000 oC with a heating rate of 10 oC.min-1. A thermal conductivity detector was used to analyze the gas after the water trapping, in order to permit to quantify the consumption of hydrogen for the lanthanum nickelates (LaNiO3). The results showed that lanthanum nickelate were more efficient when supported in alumina than when supported in zirconia. It was observed that the methane conversion was approximately 100% and the selectivity to hydrogen was about 70%. In all cases were verified low selectivity to CO and CO2

Oxygen-Nonstoichiometric YBaCo4O7+δ as a Catalyst in H2O2 Oxidation of Cyclohexene

Here we present oxygen-nonstoichiometric transition metal oxides as highly prominent candidates to catalyze the industrially important oxidation reactions of hydrocarbons when hydrogen peroxide is employed as an environmentally benign oxidant. The proof-of-concept data are revealed for the complex cobalt oxide, YBaCo4O7+δ (0 < δ < 1.5), in the oxidation process of cyclohexene. In the 2-h reaction experiments YBaCo4O7+δ was found to be significantly more active (>60 % conversion) than the commercial TiO2 catalyst (<20 %) even though its surface area was less than one tenth of that of TiO2. In the 7-h experiments with YBaCo4O7+δ, 100 % conversion of cyclohexene was achieved. Immersion calorimetry measurements showed that the high catalytic activity may be ascribed to the exceptional ability of YBaCo4O7+δ to dissociate H2O2 and release active oxygen to the oxidation reaction.

Bimetallic PtSn/C catalysts obtained via SOMC/M for glycerol steam reforming

A detailed study on the preparation of bimetallic PtSn/C catalysts using surface-controlled synthesis methods, and on their catalytic performance in the glycerol steam reforming reaction has been carried out. In order to obtain these well-defined bimetallic phases, techniques derived from Surface Organometallic Chemistry on Metals (SOMC/M) were used. The preparation process involved the reaction between an organometallic compound ((C4H9)4Sn) and a supported transition metal (Pt) in a H2 atmosphere. Catalysts with Sn/Pt atomic ratios of 0.2, 0.3, 0.5, and 0.7 were obtained, and characterized using several techniques: ICP, H2 chemisorption, TEM and XPS. These systems were tested in the glycerol steam reforming varying the reaction conditions (glycerol concentration and reaction temperature). The best performance was observed for the catalysts with the lowest tin contents (PtSn0.2/C and PtSn0.3/C). It was observed that the presence of tin increased the catalysts’ stability when working under more severe reaction conditions.