A general one-pot strategy for the synthesis of high-performance transparent-conducting-oxide nanocrystal inks for all-solution-processed devices

For all-solution-processed (ASP) devices, transparent conducting oxide (TCO) nanocrystal (NC) inks are anticipated as the next-generation electrodes to replace both those synthesized by sputtering techniques and those consisting of rare metals, but a universal and one-pot method to prepare these inks is still lacking. A universal one-pot strategy is now described; through simply heating a mixture of metal-organic precursors a wide range of TCO NC inks, which can be assembled into high-performance electrodes for use in ASP optoelectronics, were synthesized. This method can be used for various oxide NC inks with yields as high as 10 g. The formed NCs are of high crystallinity, uniform morphology, monodispersity, and high ink stability and feature effective doping. Therefore, the inks can be readily assembled into films with a surface roughness of 1.6 nm. Typically, a sheet resistance of 110 Ω sq-1 can be achieved with a transmittance of 88%, which is the best performance for TCO NC ink-based electrodes described to date. These electrodes can thus drive a polymer light-emitting diode (PLED) with a luminance of 2200 cdm-2 at 100 mA cm-2.

Base-free, one-pot chemocatalytic conversion of glycerol to methyl lactate using supported gold catalysts

We report an efficient one-pot conversion of glycerol (GLY) to methyl lactate (MLACT) in methanol in good yields (73 % at 95 % GLY conversion) by using Au nanoparticles on commercially available ultra-stable zeolite-Y (USY) as the catalyst (160 °C, air, 47 bar pressure, 0.25 M GLY, GLY-to-Au mol ratio of 1407, 10 h). The best results were obtained with zeolite USY-600, a catalyst that has both Lewis and Brønsted sites. This methodology provides a direct chemo-catalytic route for the synthesis of MLACT from GLY. MLACT is stable under the reaction conditions, and the Au/USY catalyst was recycled without a decrease in the activity and selectivity. From glycerol to green building blocks and solvents! An efficient, base-free conversion of glycerol to methyl lactate in methanol is reported, achieving good yields (73 % at 95 % glycerol conversion) using Au/ultra-stable zeolite-Y (USY) as the catalyst and environmentally benign oxygen as the oxidant by combining two separate reaction steps efficiently in a one pot procedure. The Au/USY catalyst can be recycled without a decrease in the activity and selectivity. © 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Improved electrochemical performance of Sr2Fe1.5Mo0.4Nb0.1O6-δ -Sm0.2Ce0.8O2-δ composite cathodes by a one-pot method for intermediate temperature solid oxide fuel cells

In this paper, Sr₂Fe_1.5Mo_0.4Nb_0.1O_6-δ (SFMNb)-xSm_0.2Ce_0.8O_2-δ (SDC) (x = 0, 20, 30, 40, 50 wt%) composite cathode materials were synthesized by a one-pot combustion method to improve the electrochemical performance of SFMNb cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). The fabrication of composite cathodes by adding SDC to SFMNb is conducive to providing extended electrochemical reaction zones for oxygen reduction reactions (ORR). X-ray diffraction (XRD) demonstrates that SFMNb is chemically compatible with SDC electrolytes at temperature up to 1100 °C. Scanning electron microscope (SEM) indicates that the SFMNb-SDC composite cathodes have a porous network nanostructure as well as the single phase SFMNb. The conductivity and thermal expansion coefficient of the composite cathodes decrease with the increased content of SDC, while the electrochemical impedance spectra (EIS) exhibits that SFMNb-40SDC composite cathode has optimal electrochemical performance with low polarization resistance (R_p) on the La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃ electrolyte. The R_p of the SFMNb-40SDC composite cathode is about 0.047 Ω cm² at 800 °C in air. A single cell with SFMNb-40SDC cathode also displays favorable discharge performance, whose maximum power density is 1.22 W cm^-2 at 800 °C. All results indicate that SFMNb-40SDC composite material is a promising cathode candidate for IT-SOFCs.

Synthesis of Pr0.6Sr0.4FeO 3-δ -xCe0.9Pr0.1O 2-δ cobalt-free composite cathodes by a one-pot method for intermediate-temperature solid oxide fuel cells

Cobalt-free composite cathodes consisting of Pr_0.6Sr_0.4FeO _3-δ -xCe_0.9Pr_0.1O _2-δ (PSFO-xCPO, x = 0-50 wt%) have been synthesized using a one-pot method. X-ray diffraction, scanning electron microscopy, thermal expansion coefficient, conductivity, and polarization resistance (R _P ) have been used to characterize the PSFO-xCPO cathodes. Furthermore the discharge performance of the Ni-SSZ/SSZ/GDC/PSFO-xCPO cells has been measured. The experimental results indicate that the PSFO-xCPO composite materials fully consist of PSFO and CPO phases and posses a porous microstructure. The conductivity of PSFO-xCPO decreases with the increase of CPO content, but R _P of PSFO-40CPO shows the smallest value amongst all the samples. The power density of single cells with a PSFO-40CPO composite cathode is significantly improved compared with that of the PSFO cathode, exhibiting 0.43, 0.75, 1.08 and 1.30 W cm^-2 at 650, 700, 750 and 800 °C, respectively. In addition, single cells with the PSFO-40CPO composite cathode show a stable performance with no obvious degradation over 100 h when operating at 750 °C.

Synthesis of 5-Carbapterocarpens by α-Arylation of Tetralones Followed by One-Pot Demethylation/Cyclization with BBr3

5-Carbapterocarpens, one of them displaying estrogenic activity, were prepared from α-aryltetralones in high yields through a one-pot, BBr3-promoted O-demethylation and cyclization sequence. The key α-aryltetralone intermediates were obtained by direct α-arylation of tetralones with o-alkoxybromoarenes in the presence of Pd2(dba)3 (2.5 mol-%) and tBu3PHBF4 (10 mol-%) as catalysts, together with 2.5 equiv. of KOH in dioxane/H2O (4:1), under microwave irradiation conditions (80 W, 100 °C, 40 min), leading to α-monoaryltetralones in good yields.

One-step elettrosintesi: un metodo alternativo per sintetizzare nanoparticelle di Pt

La maggiore richiesta energetica di questi anni, associata alla diminuzione delle riserve di combustibile fossile e ai problemi di inquinamento ambientale hanno spinto il settore scientifico verso la ricerca di nuovi dispositivi che presentino elevata efficienza e quantità di emissioni ridotta. Tra questi, le celle a combustibile (fuel cells) alimentate con idrogeno o molecole organiche come etanolo, acido formico e metanolo, hanno particolare rilevanza anche se attualmente risultano particolarmente costose. Una delle principali sfide di questi ultimi anni è ridurne i costi e aumentarne l'efficienza di conversione in energia. Per questo scopo molti sforzi vengono condotti verso l'ottimizzazione dei catalizzatori a base di Pt spostando l’attenzione verso sistemi nanostrutturati ad elevata attività catalitica e buona stabilità. Durante questo lavoro di tesi si è affrontato lo studio relativo alla preparazione di elettrodi modificati con PtNPs ottenute per elettrodeposizione, un metodo semplice ed efficace per poterne controllare i parametri di deposizione e crescita e per ottenere direttamente le nanoparticelle sulla superficie dell’elettrodo. Come materiale elettroattivo si è utilizzato un foglio di grafite, denominato (Pure Graphite Sheet = PGS). Tale superficie elettrodica, meno costosa e più conduttiva rispetto all’ITO, si presenta sotto forma di fogli flessibili resistenti ad alte temperature e ad ambienti corrosivi e quindi risulta conveniente qualora si pensi ad un suo utilizzo su scala industriale. In particolare è stato studiato come la variazione di alcuni parametri sperimentali quali: i) il tempo di elettrodeposizione e ii) la presenza di stabilizzanti tipo: KI, acido dodecil benzene sulfonico (DBSA), poli vinil pirrolidone (PVP) o poliossietilene ottilfenil etere (Triton-X100) e iii) la concentrazione degli stessi stabilizzanti, potessero influire sulle dimensioni ed eventualmente sulla morfologia delle PtNPs. in fase di elettrodeposizione. L’elettrosintesi è stata effettuata per via cronoamperometria. I film di PtNPs sono stati caratterizzati utilizzando tecniche di superficie quali microscopia a scansione elettronica (SEM) e Voltammetria Ciclica (CV). Al fine di valutare le capacità elettrocatalitiche delle diverse PtNPs ottenute si è studiata la reazione di ossidazione del metanolo in ambiente acido.

Nuove vie di sintesi dell'idrossitirosolo

L’idrossitirosolo (3,4-diidrossifeniletanolo) è uno degli antiossidanti naturali più potenti e con molte proprietà benefiche sull'organismo umano ed è per questo molto pregiato. In natura, l’idrossitirosolo è presente nelle olive e in quantità maggiori nelle foglie dell’olivo. L’obiettivo di questo lavoro di tesi ha riguardato lo studio esplorativo di vie di sintesi alternative per l’idrossitirosolo che partissero da reagenti a basso costo e green, attraverso la catalisi eterogenea e utilizzando acqua come solvente. Sulla base di questi requisiti abbiamo delineato un progetto per la sintesi che, partendo dal catecolo (o dal suo omologo guaiacolo), prevede l’introduzione di una catena C2 sull’anello aromatico (reazione già nota a livello industriale per la sintesi della vanillina)seguita da una riduzione one pot del derivato mandelico a dare il prodotto di interesse, l’idrossitirosolo. L’obiettivo posto è pertanto molto ambizioso e consente di ottenere l’idrossitirosolo in soli due passaggi sintetici in catalisi eterogenea a partire da reagenti green e a basso costo.

Reazioni tandem organocatalitiche enantioselettive di derivati indolici e nitroetene: un accesso diretto a precursori di alcaloidi dell'Ergot

Il lavoro discusso in questa tesi è lo sviluppo di un metodo sintetico basato sulla catalisi asimmetrica che consente di ottenere precursori di alcuni alcaloidi dell’Ergot in forma enantioarricchita. La reazione sviluppata consiste in un processo domino Friedel-Crafts/nitro-Michael fra indoli sostituiti in posizione 4 con un accettore di Michael e nitroetene. I catalizzatori utilizzati sono in grado di attivare il nitroetene per la Friedel-Crafts mediante legami a idrogeno e di indurre stereoselezione nella successiva ciclizzazione di Michael intramolecolare. Mediante la procedura ottimizzata è possibile ottenere una serie di indoli policiclici, potenziali precursori sintetici di alcaloidi dell’Ergot, con buone rese ed enantioselezioni.

Aspetti fondamentali per l'analisi cinetica di reazioni fotocatalitiche.

La conoscenza e la determinazione dell’equazione cinetica è indispensabile per lo studio, la progettazione e l’ottimizzazione di qualsiasi reattore chimico. Normalmente l’analisi cinetica viene eseguita con reattori che operano in maniera quanto più prossima a condizioni ideali in modo da rendere più facile e meno affetta da errori l’interpretazione dei risultati sperimentali. In fotocatalisi è invece di fatto impossibile realizzare, anche in presenza di una perfetta miscelazione, un sistema ideale in cui si abbia un’uniforme distribuzione di tutti i parametri che influenzano la velocità di reazione. Infatti in un reattore fotocatalitico il campo di radiazione è intrinsecamente non uniforme poiché l’assorbimento della radiazione e quindi la sua attenuazione sono necessari per l’attivazione della reazione. Pertanto l’impossibilità di realizzare un sistema fotocatalitico che operi in condizioni quanto più possibile prossime all’idealità e l’incapacità di misurare sperimentalmente i valori locali di velocità di reazione e di velocità di assorbimento dei fotoni possono rendere complessa una corretta analisi cinetica. In questo lavoro vengono studiate le modalità con cui condurre comunque una rigorosa analisi cinetica di un sistema fotocatalitico slurry, nel quale il fotocalizzatore è disperso come polvere fine in sospensione nella soluzione reagente. La reazione studiata è quella di mineralizzazione dell’acido formico. Sono stati impiegati due reattori con geometrie ed illuminazioni differenti: un reattore piano illuminato con luci LED ed un reattore anulare con lampada lineare fluorescente blacklight. È stata verificata la validità di una particolare equazione cinetica, che tiene conto dell’effetto non lineare della velocità specifica (cioè per unità di massa di catalizzatore) di assorbimento dei fotoni e delle concentrazioni del reagente, dell’ossigeno e del fotocatalizzatore. Sono state inoltre determinate le condizioni critiche che possono portare ad errori nell’analisi cinetica ed è stata dimostrata l’utilità di un modello matematico che tiene conto dei bilanci di energia raggiante, di materia nonché del campo di moto. Il modello matematico, in cui compare un solo parametro aggiustabile (il tempo caratteristico di reazione od equivalentemente la costante cinetica), è in grado di riprodurre molto soddisfacentemente i risultati sperimentali in tutte le diverse condizioni operative: diversa geometria di reattore, diversa illuminazione, differente spessore ottico, diverse contrazioni di substrato e di fotocatalizzatore. Infine è stato mostrato come l’equazione cinetica ad una sola costante cinetica, che è stata adottata, descriva meglio la cinetica della reazione fotocatalitica in esame di altre equazioni a due o più costanti cinetiche spesso utilizzate in fotocatalisi e basate sulla teoria di Langmuir-Hinshelwood, a dimostrazione di un diverso meccanismo di reazione.

Trasformazione di arabinosio a composti chimici mediante ossidazione catalitica

Nel presente lavoro di tesi si è analizzata l’ossidazione catalitica per la valorizzazione di arabinosio a prodotti chimici. Per questa complessa serie di trasformazioni, si è studiata la reattività di nanoparticelle di oro supportate su niobio fosfato. Quindi, si è ipotizzato che la doppia funzionalità del catalizzatore così sintetizzato potesse favorire i due step alla base dell’intero processo: l’acidità del NbOPO4 è fondamentale per la prima disidratazione del monosaccaride a furfurale, mentre le condizioni ossidanti garantite da un’atmosfera di ossigeno e dalle nanoparticelle di oro hanno il ruolo di permettere una successiva ossidazione. Data l’instabilità del furfurale si propone di condurre una reazione one-pot (150°C, 10 bar di O2), che porti all’ossidazione in situ del furfurale, a sua volta prodotto dalla disidratazione dello zucchero. Purtroppo la bassa selettività del processo, nonostante gli accorgimenti adottati, evidenzia le considerevoli perdite di monosaccaride in reazioni indesiderate. Ulteriori studi saranno necessari al fine di migliorare la selettività del processo, analizzando il meccanismo di reazione ed intervenendo sulle condizioni di lavoro.

Studio della trasformazione di 1,2-propandiolo ad acido propionico

Il presente lavoro ha riguardato lo studio della trasformazione one-pot in fase gas di 1,2-propandiolo ad acido propionico, impiegando il pirofosfato di vanadile (VPP), (VO)2P2O7, e due differenti sistemi a base di bronzi di tungsteno con struttura esagonale (HTB), gli ossidi misti W1V0,3 e W1Mo0,5V0,1. Il processo richiede un catalizzatore con due differenti funzionalità: una acida, principalmente di tipo Brønsted, fornita nel VPP dai gruppi P-OH presenti sulla sua superficie, e negli HTB dai gruppi W-OH sulla loro superficie e dagli ioni H+ nei canali esagonali dell’ossido; e una ossidante, fornita nel VPP dal V, e negli HTB da V e Mo incorporati nella struttura esagonale. I risultati delle prove di reattività hanno consentito di dedurre gli aspetti principali dello schema della reazione one-pot di disidratazione-ossidazione dell’1,2-propandiolo ad acido propionico. I catalizzatori provati non possiedono la combinazione ottimale di proprietà acide e redox necessarie per ottenere elevate rese in acido propionico. Le scarse proprietà ossidanti portano a un accumulo di propionaldeide, che reagisce con l’1,2-propandiolo a dare diossolani, e inoltre dà luogo alla formazione di altri sottoprodotti. È perciò necessario incrementare le proprietà ossidanti del catalizzatore, in modo da accelerare la trasformazione della propionaldeide ad acido propionico, ed evitare quindi che le proprietà acide del catalizzatore, necessarie per compiere il primo stadio di disidratazione di 1,2-propandiolo, siano causa di reazioni parassite di trasformazione dell’aldeide stessa.

Au-Pd alloy nanoparticle catalyzed selective oxidation of benzyl alcohol and tandem synthesis of imines at ambient conditions

Alloy nanoparticles (NPs) of gold and palladium on ZrO2 support (Au–Pd@ZrO2) were found to be highly active in oxidation of benzyl alcohols and can be used for the tandem synthesis of imines from benzyl alcohols and amines via a one-pot, two-step process at mild reaction conditions. The first step of the process is oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde, excellent yields were achieved after 7 h reaction at 40 °C without addition of any base. In the second step, aniline was introduced into the reaction system to produced N-benzylideneaniline. The benzaldehyde obtained in the first step was completely consumed within 1 h. A range of benzyl alcohols and amines were investigated for the general applicability of the Au–Pd alloy catalysts. It is found that the performance of the catalysts depends on the Au–Pd metal contents and composition. The optimal catalyst is 3.0 wt% Au–Pd@ZrO2 with a Au:Pd molar ratio 1:1. The alloy NP catalyst exhibited superior catalytic properties to pure AuNP or PdNP because the surface of alloy NPs has higher charge heterogeneity than that of pure metal NPs according to simulation of density function theory (DFT)

Synthesis based on cyclohexadienes. Part 34. A tandem cationic rearrangement-ene cyclisation route to 2-pupukeanone

A new strategy for the construction of the isotwistane skeleton is reported from easily available cyclohexadienes, which involves a one-pot cationic skeletal rearrangement and ene cyclisation of a bicyclo[2.2.2]octenone derivative and a cationic rearrangement of a tricyclo[5.3.0.0(4,8)]decane to a [4.3.1.0(3,7)]decane skeleton as the key steps in the synthesis of 2-pupukeanone.

Bromenium-Catalysed Tandem Ring Opening/Cyclisation of Vinylcyclopropanes and Vinylcyclobutanes: A Metal-Free 3+2+1]/4+2+1] Cascade for the Synthesis of Chiral Amidines and Computational Investigation

We present a detailed study of a 3+2+1] cascade cyclisation of vinylcyclopropanes (VCP) catalysed by a bromenium species (Brd+?Xd-) generated in situ, which results in the synthesis of chiral bicyclic amidines in a tandem one-pot operation. The formation of amidines involves the ring-opening of VCPs with Br?X, followed by a Ritter-type reaction with chloramine-T and a tandem cyclisation. The reaction has been further extended to vinylcyclobutane systems and involves a 4+2+1] cascade cyclisation with the same reagents. The versatility of the methodology has been demonstrated by careful choice of VCPs and VCBs to yield bicyclo4.3.0]-, -4.3.1]- and -4.4.0]amidines in enantiomerically pure form. On the basis of the experimental observations and DFT calculations, a reasonable mechanism has been put forth to account for the formation of the products and the observed stereoselectivity. We propose the existence of a p-stabilised homoallylic carbocation at the cyclopropane carbon as the reason for high stereoselectivity. DFT studies at B3LYP/6-311+G** and M06-2X/6-31+G* levels of theory in gas-phase calculations suggest the ring-opening of VCP is initiated at the p-complex stage (between the double bond and Br?X). This can be clearly perceived from the solution-phase (acetonitrile) calculations using the polarisable continuum model (PCM) solvation model, from which the extent of the ring opening of VCP was found to be noticeably high. Studies also show that the formation of zero-bridge bicyclic amidines is favoured over other bridged bicyclic amidines. The energetics of competing reaction pathways is compared to explain the product selectivity.