Rigorous characterization of oxygen vacancies in ionic oxides

Charged and neutral oxygen vacancies in the bulk and on perfect and defective surfaces of MgO are characterized as quantum-mechanical subsystems chemically bonded to the host lattice and containing most of the charge left by the removed oxygens. Attractors of the electron density appear inside the vacancy, a necessary condition for the existence of a subsystem according to the atoms in molecules theory. The analysis of the electron localization function also shows attractors at the vacancy sites, which are associated to a localization basin shared with the valence domain of the nearest oxygens. This polyatomic superanion exhibits chemical trends guided by the formal charge and the coordination of the vacancy. The topological approach is shown to be essential to understand and predict the nature and chemical reactivity of these objects. There is not a vacancy but a coreless pseudoanion that behaves as an activated host oxygen.

MgO/Ag(001) interface structure and STM images from first principles

The interface of MgO/Ag(001) has been studied with density functional theory applied to slabs. We have found that regular MgO films show a small adhesion to the silver substrate, the binding can be increased in off-stoichiometric regimes, either by the presence of O vacancies at the oxide film or by a small excess of O atoms at the interface between the ceramic to the metal. By means of theoretical methods, the scanning tunneling microscopy signatures of these films is also analyzed in some detail. For defect free deposits containing 1 or 2 ML and at low voltages, tunnelling takes place from the surface Ag substrate, and at large positive voltages Mg atoms are imaged. If defects, oxygen vacancies, are present on the surface of the oxide they introduce much easier channels for tunnelling resulting in big protrusions and controlling the shape of the image, the extra O stored at the interface can also be detected for very thin films.

Ionic-covalent transition in titanium oxides

The nature of the chemical bond in three titanium oxides of different crystal structure and different formal oxidation state has been studied by means of the ab initio cluster-model approach. The covalent and ionic contributions to the bond have been measured from different theoretical techniques. All the analysis is consistent with an increasing of covalence in the TiO, Ti2O3, and TiO2 series as expected from chemical intuition. Moreover, the use of the ab initio cluster-model approach combined with different theoretical techniques has permitted us to quantify the degree of ionic character, showing that while TiO can approximately be described as an ionic compound, TiO2 is better viewed as a rather covalent oxide.

Anàlisi tèrmica de l'obtenció d'òxids de ceri a partir de precursors moleculars

El projecte consisteix en l’anàlisi tèrmica de l’obtenció d’òxids de ceri a partir de precursors moleculars com són el propionat de ceri (III), el propionat de ceri (III) dopat amb gadolini i el propionat de ceri (III) dopat amb zirconi. Els òxids resultants són materials superconductors que ofereixen una resistència nul•la al pas del corrent en determinades condicions. Per realitzar l’estudi hem fet servir quatre tècniques diferents: termogravimetria, calorimetria diferencial, espectrometria de masses i difracció de raigs-x

Aprofitament de residus vegetals per a la concentració i separació d'ions metàl·lics de solucions aquoses

La adsorció sobre carbó actiu és un tractament habitual para a l'eliminació de metalls contaminants d'afluents aquosos. Amb la finalitat de reduir el cost dels tractament actuals s'està estudiant la utilització d'adsorbents de baix cost com a substituts dels sorbents convencionals que s'utilitzen usualment en els tractaments d'aigües. En aquesta tesi s'ha avaluat la possibilitat d'aprofitar diversos residus vegetals procedents de processos agrícoles o residus industrials, com a sorbents per a l'eliminació de metalls de solucions aquoses. En concret, el treball s'ha centrat en assolir dos grans objectius, primer de tot, conèixer la possibilitat d'utilitzar el pinyol d'oliva com a adsorbent de metalls divalents de solucions aquoses, com són el Cd(II), Cu(II), Ni(II) i Pb(II), i en segon lloc, avaluar la utilització de quatre residus vegetals (escorça de yohimbe, rapa de raïm, suro i pinyol d'oliva) per a l'extracció de Cr(VI) de solucions aquoses i utilitzar el residu vegetal més apropiat com a base per tal d'obtenir un nou sorbent, amb més bona morfologia per ser utilitzat en sistemes d'eliminació de Cr(VI) en continu. Les dades cinètiques d'adsorció es van tractar amb el model cinètic de pseudo-segon ordre, amb el que es van determinar la velocitat inicial d'adsorció dels metalls. Els models d'isotermes d'equilibri de Langmuir i Freundlich es van utilitzar per descriure els equilibris d'adsorció i calcular els paràmetres de les isotermes. En els assajos amb mescles binàries de metalls, els resultats es van tractar amb el model ampliat de Langmuir. En aquest treball s'ha determinat, primerament, que el pinyol d'oliva és un bon sorbent dels metalls divalents estudiats. S'ha determinat que l'adsorció dels metalls varia amb el pH de la solució i que la presència de sals en la solució provoca una davallada en l'adsorció. També es va determinar la competència en l'adsorció entre els metalls al realitzar assajos en mescles binàries. Amb els estudis d'extracció de Cr(VI) amb els quatre materials s'ha determinat que aquests vegetals poden adsorbir el Cr(VI) en solució, tot i que la rapa i la yohimbe són els materials que presenten unes capacitats d'adsorció més elevades. Les anàlisis amb espectroscòpia electrònica de Raig-X realitzats en la rapa de raïm i la yohimbe en contacte amb Cr(VI) varen demostrar la presència del metall en els dos estats d'oxidació, Cr(VI) i Cr(III), evidenciant la participació del mecanisme de reducció de Cr(VI) en l'adsorció del metall sobre els materials. Amb l'encapsulació de la rapa de raïm es va incrementar significativament la capacitat d'adsorció del metall respecta a la seva utilització en la forma original. Les dades experimentals es van tractar amb un model de difusió i es va determinar el coeficient de difusió en l'adsorció en el sorbent amb diferent percentatge de rapa en l'interior. Finalment s'han realitzat estudis preliminars d'adsorció de crom hexavalent en continu utilitzant columnes de petites dimensions farcides amb el sorbent format per boles de rapa encapsulada en alginat càlcic. En aquests assajos s'ha determinat l'efecte en l'adsorció de metall de diversos paràmetres d'operació, com la concentració inicial de metall, el cabal i l'alçada de llit. El model de transferència de matèria i difusió en columna emprat pel tractament de les dades experimentals va mostrar l'efecte de la concentració inicial i del cabal en els coeficients de difusió i transferència de matèria. El model BDST no va predir correctament el temps de servei en els diferents paràmetres d'operació experimentats a causa de la complexitat del procés d'adsorció. Amb aquests assajos preliminars s'han establert les bases de l'adsorció de Cr(VI) amb el nou sorbent en sistemes en continu amb la finalitat de realitzar estudis posteriors d'eliminació del metall en columnes de majors dimensions.

Characterization of CNTs and CNTs/MnO2 composite for supercapacitor application

Màster en Nanociència i Nanotecnologia

Apunts de fonaments de ciències dels materials [versió html]

Aquest text pretén ser una guia útil pels estudiants de Fonaments de Ciència de Materials dels diversos estudis d’Enginyeria. El document s’estructura en 20 temes organitzats en cinc blocs. Els dos blocs primers són una introducció als conceptes bàsics de la matèria i els tres restants els dediquem a les tres principals famílies de materials: metàl·lics, ceràmics i polímers. Per a cada tema s’estableixen les competències especifiques que s’han d’assolir, es desenvolupen de forma esquemàtica els continguts i s’adjunten exemples resolts de problemes. Al final de cada bloc s’inclou també una col·lecció de qüestions i problemes. Al final del llibre, trobareu una biografia recomanada per tal de desenvolupar exhaustivament la matèria

Apunts de fonaments de ciències dels materials [versió comprimida]

Aquest text pretén ser una guia útil pels estudiants de Fonaments de Ciència de Materials dels diversos estudis d’Enginyeria. El document s’estructura en 20 temes organitzats en cinc blocs. Els dos blocs primers són una introducció als conceptes bàsics de la matèria i els tres restants els dediquem a les tres principals famílies de materials: metàl·lics, ceràmics i polímers. Per a cada tema s’estableixen les competències especifiques que s’han d’assolir, es desenvolupen de forma esquemàtica els continguts i s’adjunten exemples resolts de problemes. Al final de cada bloc s’inclou també una col·lecció de qüestions i problemes. Al final del llibre, trobareu una biografia recomanada per tal de desenvolupar exhaustivament la matèria

Apunts de fonaments de ciències dels materials [2a. ed.]

Aquest text pretén ser una guia útil pels estudiants de Fonaments de Ciència de Materials dels diversos estudis d’Enginyeria. El document s’estructura en 20 temes organitzats en cinc blocs. Els dos blocs primers són una introducció als conceptes bàsics de la matèria i els tres restants els dediquem a les tres principals famílies de materials:metàl·lics, ceràmics i polímers. Per a cada tema s’estableixen les competències especifiques que s’han d’assolir, es desenvolupen de forma esquemàtica els continguts i s’adjunten exemples resolts de problemes. Al final de cada bloc s’inclou també una col·lecció de qüestions i problemes. Al final del llibre, trobareu una bibliografia recomanada per tal de desenvolupar exhaustivament la matèria

Aplicació del càlcul d’esforços en 2n ordre en estructures metàl·liques segons el CTE i NBE-EA-95

Aquest estudi se centra en el document del CTE que es refereix a les estructures metàl·liques d’acer, concretament en els càlculs a tenir en compte a l’hora de realitzar pòrtics d’estructura d’edificació amb perfils metàl·lics laminats. Aquest document és el DB-SE-A, que són les sigles de “Document Bàsic Seguretat Estructural Acer”. Aquest document introdueix algunes modificacions en el mètode de càlcul de les estructures metàl·liques respecte l’antiga norma. La idea d’aquest estudi és fer una comparació entre les dues normes – la vella i ja derogada, i la nova i vigent – i com tracten el càlcul d’esforços en segon ordre i el tractament de les imperfeccions. Com ja s’ha comentat aquest Document Bàsic de la Seguretat Estructural en Acer del CTE (DB-SE-A) substitueix l’antiga norma que es referia al càlcul d’estructura metàl·lica, la NBE-EA-95. En l’aplicació de les accions i el càlcul d’esforços s’utilitza del CTE el Document Bàsic dedicat a les accions en l’edificació (DB-SE-AE) i que substitueix l’antiga NBE-AE-88

Estudi d'una metal·lotioneïna d'alzina surera (QsMT)

En aquest treball es caracteriza per primera vegada la capacitat de coordinació metàl·lica d'una metal·lotineïna (MT) de planta i es proposa un model de plegament per a les MTs de planta en general. Els resultat mostren que aquestes proteïnes poden tenir un paper molt important en la regulació de l'estat redox de les cèl·lules, probablement a través de la coordinació a Cu. Les MTs de planta són proteïnes molt desconegudes. Es postula que participen en l'homeòstasi del Cu i en la protecció contra l'estrès oxidatiu, però es desconeix la capacitat de coordinació metàl·lica i el plegament. En aquest treball s'han estudiat una metal·lotioneïna d'alzina surera, QsMT, aïllada d'una llibreria de cDNA de fel·lema. Els objectius concrets han estat: (1) estudiar l'expressió de QsMT i la resposta a l'estrès oxidatiu; (2) determinar la capacitat de coordinació metàl·lica i la funcionalitat in vivo; (3) fer una aproximació al plegament de les MTs de planta. L'expressió del gen s'ha estudiat mitjançant hibridació in situ en plàntules i en embrions d'alzina surera. QsMT s'expressa majoritàriament en cèl·lules amb fort estrès oxidatiu, associat a la síntesi de polifenols (suberització i lignificació) i a la senescència. També s'expressa en cèl·lules meristemàtiques, cèl·lules en divisió molt activa on la funció de les MTs podria estar relacionada amb el manteniment de l'estat redox. L'aplicació d'estrès oxidatiu exogen (H2O2 i paraquat) incrementa fortament l'expressió de QsMT en teixits amb expressió constitutiva, confirmant la regulació de l'expressió del gen per estrès oxidatiu. Per l'estudi de les propietats de coordinació metàl·lica es va expressar QsMT en cèl·lules d'E. coli en medi de cultiu suplementat amb Cu, Zn o Cd. Es van aïllar els agregats metàl·lics corresponents i es van analitzar mitjançant tècniques espectroscòpiques i espectromètriques (ICP-OES, ESI-MS i CD). Els resultats mostren que QsMT coordina de forma estable Cu (8 ions metàl·lics/molècula), Zn (4 ions de Zn/molècula) i Cd (6 ions de Cd/molècula), i adopta una estructura especialment quiral en coordinació a Cu. L'elevada capacitat quelant de la proteïna i la quiralitat de l'estructura indiquen que QsMT possiblement té preferència metàl·lica pel Cu i per tant una funció relacionada amb aquest metall in vivo. Estudis de complementació en llevat demostren que QsMT coordina Cu de forma funcional in vivo. En coordinació a Cd QsMT presenta una peculiaritat no observada fins ara en altres MTs: la participació d'ions sulfur en la formació de l'agregat metàl·lic incrementant la capacitat de coordinació metàl·lica (6 ions metàl·lics divalents de Cd enlloc de 4 ions de Zn). A més QsMT coordina Cd de forma funcional en llevat, i per tant la seva funció també podria estar relacionada amb la destoxicació de Cd en la planta. QsMT s'ha utilitzat com a model per fer una aproximació al plegament de les MTs de planta. Amb aquest objectiu vam dissenyar tres pèptids mutants derivats de QsMT: N25 corresponent a la zona rica en cisteïna en posició amino-terminal, C18 corresponent a la zona rica en cisteïna en posició carboxil-terminal, i N25-C18 corresponent a les dues zones riques en cisteïna enllaçades per 4 glicines substituint la zona central de 39 aminoàcids. Es van expressar i estudiar aquests pèptids per les mateixes tècniques utilitzades en l'estudi de QsMT. Els resultats indiquen que QsMT es plega formant un sol agregat metàl·lic per la interacció de les dues zones riques en cisteïna. En aquest model la zona central d'enllaç, típica de les MTs de planta, no participa en la coordinació metàl·lica però és imprescindible per a la funció de la proteïna. El paper de la zona central podria variar en funció del metall que coordina, participant en el plegament i estructura de la proteïna quan coordina Zn i Cd i en la seva regulació i estabilització quan coordina Cu.

Analysis of chemical bonding and aromaticity from electronic delocalization descriptors

Interactions between electrons determine the structure and properties of matter from molecules to solids. Therefore, the understanding of the electronic structure of molecules will enable us to extract relevant chemical information. In the first part of this thesis, we focus our attention on the analysis of chemical bonding by means of the Electron Localization Function (ELF) and the Domain-Averaged Fermi Hole analysis (DAFH). In the second part, we assess the performance of some indicators of aromaticity by analyzing their advantages and drawbacks. We propose a series of tests based on well-known aromaticity trends that can be applied to evaluate the aromaticity of current and future indicators of aromaticity in both organic and inorganic species. Moreover, we investigate the nature of electron delocalization in both aromatic and antiaromatic systems in the light of Hückel’s (4n + 2) rule. Finally, we analyze the phenomenon of multiple aromaticity in all-metal clusters.