Carbon nanotube synthesis from germanium nanoparticles on patterned substrates

Controlled synthesis of carbon nanotubes (CNTs) is highly desirable for nanoelectronic applications. To date, metallic catalyst particles have been deemed unavoidable for the nucleation and growth of any kind of CNTs. Ordered arrays of nanotubes have been obtained by controlled deposition of the metallic catalyst particles. However, the presence of metal species mixed with the CNTs represents a shortcoming for most electronic applications, as metal particles are incompatible with silicon semiconductor technology. In the present paper we report on a metal-catalyst-free synthesis of CNTs, obtained through Ge nanoparticles on a Si(001) surface patterned by nanoindentation. By using acetylene as the carbon feed gas in a low-pressure Chemical Vapor Deposition (CVD) system, multi-walled carbon nanotubes (MWNT) have been observed to arise from the smallest Ge islands. The CNTs and the Ge three-dimensional structures have been analysed by SEM, EDX and AFM in order to assess their elemental features and properties. EDX and SEM results allow confirmation of the absence of any metallic contamination on the surface, indicating that the origin of the CNT growth is due to the Ge nanocrystals.

Controlled carbon nanotube synthesis from germanium nanoparticles

Controlled syntheses of carbon nanotubes (CNTs) are highly desirable for nanoelectronic applications. To date, metallic catalyst particles have usually been deemed unavoidable for the nucleation and growth of any kind of CNTs. However, the presence of metal species mixed with the CNTs represents a shortcoming for most electronic applications, as metal particles are incompatible with silicon semiconductor technology. Recently it has been shown that it is possible to create nanotubes without the presence of metallic catalysts, by using SIO2, Ge and other non-metallic nanoparticles. Here we report on a metal-catalyst-free synthesis of CNTs, obtained through Ge nano-particles assembled on silicon surfaces previously patterned by Focused Ion Beam and nanoindentation.

Hafnia nanoparticles - a model system for graphene growth on a dielectric

We study graphene growth on hafnia (HfO2) nanoparticles by chemical vapour deposition using optical microscopy, high resolution transmission electron microscopy and Raman spectroscopy. We find that monoclinic HfO2 nanoparticles neither reduce to a metal nor form a carbide while nucleating nanometer domain-sized few layer graphene. Hence we regard this as an interesting non-metallic catalyst model system with the potential to explore graphene growth directly on a (high-k) dielectric. HfO2 nanoparticles coated with few layer graphene by atmospheric pressure CVD with methane and hydrogen at 950 °C. (© 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim) Graphene growth on hafnia (HfO2) nanoparticles by chemical vapour deposition (CVD) is studied. It is found that monoclinic HfO2 nanoparticles neither reduce to a metal nor form a carbide while nucleating nanometer domain-sized few layer graphene. Hence the authors of this Letter regard this as an interesting non-metallic catalyst model system with the potential to explore graphene growth directly on a (high-k) dielectric. © 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Controlled growth of silicon nanowires by solid-liquid-solid method and their formation mechanism

High quality silicon nanowires (SiNWs) were grown directly from n-(111) silicon single crystal substrate by using Au film as a metallic catalyst. The diameter and length of the formed nanowires are 30-60 nm and from several micrometers to sereral tens of micrometers, respectively. The effects of Au film thickness, annealing temperature, growth time and N-2 gas flow rate on the formation of the nanowires were experimentally investigated. The results confirmed that the silicon nanowires with controlled diameter, length, shape and orientation can be obtained via reasonably choosing and optimizing various technical conditions. The formation process of the silicon nanowires is analyzed qualitatively based on solid-liquid-solid growth mechanism.

Blue Luminescent Properties of Silicon Nanowires Grown by a Solid-Liquid-Solid Method

Silicon nanowires (SiNWs) were grown directly from n-(111) single-crystal silicon (c-Si) substrate based on a solid-liquid-solid mechanism, and Au film was used as a metallic catalyst. The room temperature photoluminescence properties of SiNWs were observed by an Xe lamp with an exciting wavelength of 350 nm. The results show that the SiNWs exhibit a strongly blue luminescent band in the wavelength range 400-480 nm at an emission peak position of 420 nm. The luminescent mechanism of SiNWs indicates that the blue luminescence is attributed to the oxygen-related defects, which are in SiOx amorphous oxide shells around the crystalline core of SiNWs.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

O efeito do ultra-som em reações químicas

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Development of Plurimetallic Electrocatalysts Prepared by Decomposition of Polymeric Precursors for EtOH/O-2 Fuel Cell

This work aimed to develop plurimetallic electrocatalysts composed of Pt, Ru, Ni, and Sn supported on C by decomposition of polymeric precursors (DPP), at a constant metal: carbon ratio of 40:60 wt.%, for application in direct ethanol fuel cell (DEFC). The obtained nanoparticles were physico-chemically characterized by X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). XRD results revealed a face-centered cubic crystalline Pt with evidence that Ni, Ru, and Sn atoms were incorporated into the Pt structure. Electrochemical characterization of the nanoparticles was accomplished by cyclic voltammetry (CV) and chronoamperometry (CA) in slightly acidic medium (0.05 mol L-1 H2SO4), in the absence and presence of ethanol. Addition of Sn to PtRuNi/C catalysts significantly shifted the ethanol and CO onset potentials toward lower values, thus increasing the catalytic activity, especially for the quaternary composition Pt64Sn15Ru13Ni8/C. Electrolysis of ethanol solutions at 0.4 V vs. RHE allowed determination of acetaldehyde and acetic acid as the main reaction products. The presence of Ru in alloys promoted formation of acetic acid as the main product of ethanol oxidation. The Pt64Sn15Ru13Ni8/C catalyst displayed the best performance for DEFC.

Development of plurimetallic electrocatalysts prepared by decomposition of polymeric precursors for EtOH/O2 fuel cell

This work aimed to develop plurimetallic electrocatalysts composed of Pt, Ru, Ni, and Sn supported on C by decomposition of polymeric precursors (DPP), at a constant metal:carbon ratio of 40:60 wt.%, for application in direct ethanol fuel cell (DEFC). The obtained nanoparticles were physico-chemically characterized by X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). XRD results revealed a face-centered cubic crystalline Pt with evidence that Ni, Ru, and Sn atoms were incorporated into the Pt structure. Electrochemical characterization of the nanoparticles was accomplished by cyclic voltammetry (CV) and chronoamperometry (CA) in slightly acidic medium (0.05 mol L-1 H2SO4), in the absence and presence of ethanol. Addition of Sn to PtRuNi/C catalysts significantly shifted the ethanol and CO onset potentials toward lower values, thus increasing the catalytic activity, especially for the quaternary composition Pt64Sn15Ru13Ni8/C. Electrolysis of ethanol solutions at 0.4 V vs. RHE allowed determination of acetaldehyde and acetic acid as the main reaction products. The presence of Ru in alloys promoted formation of acetic acid as the main product of ethanol oxidation. The Pt64Sn15Ru13Ni8/C catalyst displayed the best performance for DEFC.

L'utilizzo di carbonati come reagenti per la sintesi "green" di derivati fenolici: l'esempio del 2-fenossi-1-etanolo

2-Phenoxyethanol (ethylene glycol monophenyl ether) is used as solvent for cellulose acetate, dyes, inks, and resins; it is a synthetic intermediate in the production of plasticizers, pharmaceuticals, and fragrances. Phenoxyethanol is obtained industrially by reaction of phenol with ethylene oxide, in the presence of an homogeneous alkaline catalyst, typically sodium hydroxide. The yield is not higher than 95-96%, because of the formation of polyethoxylated compounds. However, the product obtained may not be acceptable for use in cosmetic preparations and fragrance formulations, due to presence of a pungent “metallic” odor which masks the pleasant odor of the ether, deriving from residual traces of the metallic catalyst. Here we report a study aimed at using ethylene carbonate in place of ethylene oxide as the reactant for phenoxyethanol synthesis; the use of carbonates as green nucleophilic reactants is an important issue in the context of a modern and sustainable chemical industry. Moreover, in the aim of developing a process which might adhere the principles of Green Chemistry, we avoided the use of solvents, and used heterogeneous basic catalysts. We carried out the reaction by using various molar ratios between phenol and ethylene carbonate, at temperatures ranging between 180 and 240°C, with a Na-mordenite catalyst. Under specific conditions, it was possible to obtain total phenol conversion with >99% yield to phenoxyethanol in few hours reaction time, using a moderate excess of ethylene carbonate. Similar results, but with longer reaction times, were obtained using a stoichiometric feed ratio of reactants. One important issue of the research was finding conditions under which the leaching of Na was avoided, and the catalyst could be separated and reused for several reaction batches.