Title: The preparation and study of catalytic system Cu(O)-CeO2 using surface analytical methods Author: Břetislav Šmíd Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor of the doctoral thesis: Doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr. Abstract: This work is concerned with a study of copper/copper oxide - cerium dioxide systems and their interaction with CO and H2O molecules. Investigated samples were prepared in the form of powder catalysts and also as very well defined model inverse systems. The low temperature CO oxidation powder catalysts were studied by means of XPS, XRD, SEM, TEM and in micro-reactor system allowing the CO oxidation examination. The study of H2O adsorption and co-adsorption of H2O with CO were carried out on model inverse systems CeOx(111)/Cu(111) in ultra-high vacuum conditions using X-ray, synchrotron radiation (SRPES), resonant (RPES) photoelectron spectroscopies and LEED. It was observed on the stoichiometric surface water adsorbs molecularly at 120 K while on the reduced surface and surface of CeO2 islands on Cu(111) the H2O adsorption is partially dissociative with formation of OH groups. The increase of Ce3+ species (i.e. surface reduction) observed after H2O adsorption was explained as an electronic effect of the Ce 4f charge accumulation and Ce 5d charge depletion....

Les neurotoxiques organophosphorés sont des agents chimiques qui font partie de la menace NRBC (nucléaire, radiologique, biologique, chimique). Ces agents peuvent pénétrer l'organisme par inhalation, ingestion ou absorption cutanée. La principale voie d'absorption des agents chimiques peu volatils (persistants), tels que le VX et l'ypérite, est la voie cutanée. La décontamination des surfaces cutanées non protégées est donc cruciale pour empêcher une absorption trop importante du toxique et une intoxication. Ce travail s'est attaché à évaluer la capacité de nanoparticules d'oxyde de cérium à adsorber et à dégrader les composés organophosphorés, en utilisant un pesticide organophosphoré, le Paraoxon, et un modèle d'étude in vitro, la peau d'oreille de porc. Les résultats ont montré que la cérine, sous forme de poudre de nanoparticules, dégrade le Paraoxon mais ne permet pas de réduire son absorption à travers la peau. Des formes liquides contenant la cérine (suspension aqueuse, émulsi on de Pickering) ont été développées, pour éviter la dispersion des nanoparticules dans l'air lors de l'utilisation. Elles permettent une élimination plus efficace du Paraoxon, mais l'activité de dégradation de la cérine est très faible. L'influence des conditions de synthèses sur les propriétés physico-chimiques de la cérine en relation avec l'efficacité de dégradation a été étudiée. Les résultats montrent que la surface spécifique est un paramètre clé et que le protocole d'application des décontaminants doit être adapté / The organophosphorus nerve agents form part of chemical agents which pose the NRBC threat (nuclear, radio, biological, chemical). These agents can get into the body by inhalation, ingestion or skin absorption. The main route of chemical agent absorption which are low volatile, as VX or yperite, is the dermal route. Decontamination of unprotected skin areas is crucial to prevent excessive absorption of toxic. This work aimed at evaluating the ability of cerium oxide nanoparticles to adsorb and degrade organophosphorus compounds by using an organophosphorus pesticide, Paraoxon, and an in vitro model, pig-ear skin. The results showed that ceria, in powder form, degraded the Paraoxon but did not allow reducing its absorption through the skin. Liquid forms containing ceria (aqueous suspension, Pickering emulsion) have been formulated in order to avoid the dispersion of particles in the air during its use. While liquid formulations allow more efficient removal of Paraoxon during decontamin ation process, the degradation activity of ceria was low. The influence of the synthesis conditions on the physicochemical properties of ceria linked to degradation efficiency of nanoparticles has been studied. The results showed that specific surface area is the key parameter and that the application protocol of decontaminants must be adapted

Les piles à membrane polymère à échange de protons (PEMFC) sont une des techniques les plus prometteuses pour une production d'électricité propre et efficace à partir d'hydrogène. Les applications de cette nouvelle génération de piles à combustibles concernent aussi bien des applications portables et nomades telles que smartphones, ordinateurs portables, électronique embarquée que des applications domestiques ou dans les transports. A ce jour, le platine utilisé comme catalyseur est considéré comme le seul choix possible pour un rendement élevé et stable. En conséquence, suite à des ressources limitées en platine, la fabrication des piles à combustible reste coûteuse et la production industrielle généralisée impossible. Pour cette raison, une diminution substantielle de la quantité de Pt incorporée et donc la recherche de nouveaux matériaux d'anode à faible coût avec une activité élevée sont nécessaires. Des systèmes à base d’oxyde de cérium dopés au platine avaient été présentés comme étant des catalyseurs actifs pour l'oxydation du CO, la production d'hydrogène, l'oxydation de l'éthanol et la décomposition de méthanol. Au cours de ce travail, de nouveaux concepts pour la fabrication des piles à combustible ont été développés : la quantité de platine incorporée a été fortement diminuée conduisant à la production de nouveaux matériaux d'anode. Enfin, des catalyseurs à base de platine ont été déposés non pas sous la forme usuelle de nanopoudres mais sous forme de films minces fortement poreux sur substrat silicium.Au cours de cette thèse, le système Pt-CeOx a été étudié. Des échantillons non dopés puis dopés avec une faible quantité de platine ont été élaborés puis caractérisés en vue d'une application comme catalyseurs pour piles à combustibles. L'obtention de ces matériaux avec des propriétés sur mesure implique la maîtrise totale de leurs conditions de croissance. Afin d’étudier ces nouveaux composés de taille nanométrique, la microscopie électronique en transmission (MET) a été un outil précieux, qui a permis d'apporter des informations très précises sur la morphologie des films minces, la composition chimique et la structure à l'échelle atomique. Le cérium possède un double degré d'oxydation (+III/+IV), ce qui explique ses très bonnes propriétés catalytiques. Des analyses par spectrométrie dephotoélectrons X (XPS) ainsi que par spectroscopie de pertes d'énergie des électrons (EELS) ont été effectuées afin de déterminer son degré d'oxydation. / Present doctoral thesis is focused on investigation of novel metal-oxide anode catalyst for fuel cell application by electron microscopy and associated spectroscopies. Catalysts based on Pt-doped cerium oxide in form of thin layers prepared by simultaneous magnetron sputtering deposition on intermediate carbonaceous films grown on silicon substrate have been studied. The influence of the catalyst support composition (a-C and CNx films), deposition time of CeOx layer and other deposition parameters, as deposition rate, composition of working atmosphere and Pt concentration on the morphology of Pt-CeOx layers has been investigated mainly by Transmission Electron Microscopy (TEM). The obtained results have shown that by combination of suitable preparation conditions we are able to tune the final morphology and composition of the catalysts. The composition of carbonaceous films and Pt-CeOx layers was examined by complementary spectroscopy techniques – Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Such prepared porous structures of Pt-CeOx are promising as anode catalytic material for real fuel cell application. / Předložená dizertační práce se zabývá studiem nových katalyzátorů na bázi kov-oxid vhodných pro použití v palivových článcích na straně anody. Platinou dopovaný oxid ceru připravený magnetronovým naprašováním ve formě tenkých vrstev na uhlíkových mezivrstvách nesených křemíkovým substrátem byl zkoumán prostřednictvím mikroskopických a spektroskopických metod. Vliv složení uhlíkového nosiče (a-C a CNx filmy), depozičního času CeOx vrstvy a dalších depozičních parametrů, např. depoziční rychlosti, složení pracovní atmosféry a Pt koncentrace na morfologii Pt-CeOx vrstev byl studován převážně pomocí transmisní elektronové mikroskopie (TEM). Získané výsledky ukazují, že vhodnou kombinací depozičních podmínek jsme schopni vyladit výslednou morfologii a kompozici katalyzátoru. Složení uhlíkových filmů a Pt-CeOx vrstev bylo studováno spektroskopickými technikami – energiově-disperzní spektroskopií (EDX), spektroskopií charakteristických ztrát elektronů (EELS) a rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS). Takto připravené porézní struktury vrstev Pt-CeOx jsou slibným katalytickým materiálem na straně anody pro reálné aplikace v palivových článcích.

Fuel cells are known for their high efficiency and have the potential to become a major technology for producing clean energy, especially when the fuel, e.g. hydrogen, is produced from renewable energy sources such as wind or solar. Currently, the two main obstacles to wide-spread commercialization are their high cost and the short operational lifetime of certain components. Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells have been a focus of attention in recent years, due to their use of hydrogen as a fuel, their comparatively low operating temperature and flexibility for use in both stationary and portable (automotive) applications. Perfluorosulfonic acid membranes are the leading ionomers for use in PEM hydrogen fuel cells. They combine essential qualities, such as high mechanical and thermal stability, with high proton conductivity. However, they are expensive and currently show insufficient chemical stability towards radicals formed during fuel cell operation, resulting in degradation that leads to premature failure. The incorporation of durability improving additives into perfluorosulfonic acid membranes is discussed in this work. iv Cerium oxide (ceria) is a well-known radical scavenger that has been used in the biological and medical field. It is able to quench radicals by facilely switching between its Ce(III) and Ce(IV) oxidation states. In this work, cerium oxide nanoparticles were added to perfluorosulfonic acid membranes and subjected to ex-situ and in-situ accelerated durability tests. The two ceria formulations, an in-house synthesized and commercially available material, were found to consist of crystalline particles of 2 – 5 nm and 20 – 150 nm size, respectively, that did not change size or shape when incorporated into the membranes. At higher temperature and relative humidity in gas flowing conditions, ceria in membranes is found to be reduced to its ionic form by virtue of the acidic environment. In ex-situ Fenton testing, the inclusion of ceria into membranes reduced the emission of fluoride, a strong indicator of degradation, by an order of magnitude with both liquid and gaseous hydrogen peroxide. In open-circuit voltage (OCV) hold fuel cell testing, ceria improved durability, as measured by several parameters such as OCV decay rate, fluoride emission and cell performance, over several hundred hours and influenced the formation of the platinum band typically found after durability testing.

Due to their unique properties, engineered nanomaterials are now widely used in numerous commercial products. Cerium oxide (CeO2) nanoparticles (NPs) are among the most commonly used engineered NPs, with applications in surface coatings, catalysis, the manufacturing of semiconductors, biomedicine and agriculture. With the significant increase in the production and use of CeO2 NPs, concern is increasing over their release into the environment and their subsequent fate and toxicity. In order to evaluate their environmental risk, it is necessary to detect, quantify and characterize the NPs in all environmental compartments. Unfortunately, analyses of NPs in natural systems are challenging due to their small sizes, their low concentrations (∼ ng L-1) and the complexity of environmental matrices, which also contain natural colloids. Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (SP-ICP-MS) is a specific and sensitive technique that enables the detection of very low concentrations (∼ ng L-1) of NPs and it can provide information on their number concentrations, sizes, and size distributions. This technique is often limited by high size detection limits (SDL). However, it is especially important to obtain rigorous size, concentration, and fate data for the smallest NPs, since they are expected to have the greatest environmental risk. To that end, the specific objective of this thesis was to develop an improved method for the detection, quantification, and characterization of CeO2 NPs in complex natural waters using SP-ICP-MS. The project was then divided into several objectives: (1) decrease the SDL for CeO2 NPs; (2) optimize the preparation method for natural water samples; (3) apply the preparation and the analysis methods to detect, quantify, and characterize CeO2 NPs in several natural water samples and commercial products, such as a paint and a stain; (4) identify the origin (natural or engineered) of the detected CeO2 NPs; (5) quantify and characterize the release of CeO2 NPs from paint and stain under natural weathering scenarios; and (6) evaluate the effect of different physicochemical conditions (pH, ionic strength, and NOM) on the fate of CeO2 NPs after their release. A high sensitivity sector field ICP-MS (SF-ICP-MS) with microsecond dwell times (50 μs) was used to lower the SDL of CeO2 NPs to below 4.0 nm. While filtration is often used as a preparation method for SP-ICP-MS, its effect on the concentrations and sizes of NPs is unknown. For this purpose, the interactions between six different membrane filters and CeO2 NPs in aqueous samples were examined. The highest recoveries were observed for polypropylene membranes, where 60 % of the pre-filtration NPs were found in a rainwater and 75% were found in a river water. Recoveries could be increased to over 80% by pre-conditioning the filtration membranes with a multi-element solution. Similar recoveries were obtained when samples were centrifuged at low centrifugal forces (≤1000xg). SF-ICP-MS was then used to detect CeO2 NPs in Montreal rainwater, St. Lawrence River water, a paint, and a stain. A significant decrease in the concentrations of CeO2 NPs, initially contained in paint and stain, was measured over time under different conditions, which was attributed to agglomeration and/or dissolution. Finally, when painted and stained panels were placed outside, the released Ce in the precipitation was mainly in the dissolved form with no significant release of CeO2 NPs. / En raison de leurs propriétés uniques, les nanomatériaux manufacturés sont maintenant largement utilisés dans de nombreux produits commerciaux. Les nanoparticules (NPs) de dioxyde de cérium (CeO2) sont parmi les NPs manufacturées les plus couramment utilisées, avec des applications dans les revêtements de surface, la catalyse, la fabrication de semi-conducteurs, la biomédecine et l’agriculture. Avec l’augmentation significative de la production et l’utilisation des NPs de CeO2, l’inquiétude grandit quant à leur rejet dans l’environnement et à leur devenir et toxicité subséquente. Afin d’évaluer leur risque environnemental, il est nécessaire de détecter, quantifier et caractériser les NPs dans tous les compartiments environnementaux. Malheureusement, les analyses des NPs dans les systèmes naturels sont difficiles en raison de leurs petites tailles, de leurs faibles concentrations (∼ ng L-1) et de la complexité des matrices environnementales, qui contiennent également des colloïdes naturels. La spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif en mode particule unique (SP-ICP-MS) est une technique spécifique et sensible qui permet la détection de très faibles concentrations (∼ ng L-1) de NPs en fournissant des informations sur leurs concentrations en nombre, leurs tailles et leurs distributions de taille. Cette technique est souvent limitée par des limites de détection de taille (SDL) élevées. Cependant, il est particulièrement important d’obtenir des données précises sur la taille, la concentration et le devenir des plus petites NPs, qui présentent un plus grand risque environnemental. À cette fin, l’objectif spécifique de cette thèse était de développer une méthode améliorée pour la détection, la quantification et la caractérisation des NPs de CeO2 dans les eaux naturelles complexes à l’aide de SP-ICP-MS. Le projet a ensuite été divisé en plusieurs parties : (1) diminuer la SDL pour les NPs de CeO2; (2) optimiser la méthode de préparation des échantillons d’eau naturelle; (3) appliquer les méthodes de préparation et d’analyse pour détecter, quantifier et caractériser les NPs de CeO2 dans plusieurs échantillons d’eau naturelle et produits commerciaux, telles qu’une peinture et une teinture; (4) identifier l’origine (naturelle ou manufacturée) des NPs de CeO2 détectées; (5) quantifier et caractériser le relargage des NPs de CeO2 de la peinture et de la teinture sous différents scénarios météorologiques; et (6) Évaluer l’effet des différentes conditions physicochimiques (pH, force ionique, et la présence de la matière organique naturelle) sur le devenir des NPs de CeO2 après le relargage. Un ICP-MS à secteur magnétique (SF-ICP-MS) à haute sensibilité avec des temps d’acquisition (i.e. ‘dwell times’) à l’échelle de microsecondes (50 μs) a été utilisé pour diminuer la SDL des NPs de CeO2 à moins de 4.0 nm. Alors que la filtration est souvent utilisée comme méthode de préparation pour le SP-ICP-MS, son effet sur les concentrations et les tailles des NPs est inconnu. Pour cela, les interactions entre six filtres avec des membranes différentes et les NPs de CeO2 dans des échantillons aqueux ont été examinées. Les recouvrements les plus élevés ont été observés pour la membrane de polypropylène, où 60% des NPs de pré-filtration ont été trouvées dans l’eau de pluie et 75% dans les eaux de rivière. Les recouvrements pourraient être augmentés à plus de 80% en préconditionnant les membranes des filtres avec une solution multi-éléments. Des recouvrements similaires ont été obtenus lorsque les échantillons ont été centrifugés à une faible vitesse de rotation (≤1000xg). Le SF-ICP-MS a ensuite été utilisé pour détecter des NPs de CeO2 dans une eau de pluie de Montréal, une eau du fleuve St. Laurent, une peinture et une teinture. En se basant sur le rapport de cérium/lanthane (Ce/La), les NPs de CeO2 détectées dans la pluie sont majoritairement d’origine naturelle alors que celles dans la peinture et la teinture sont manufacturées. Une diminution significative des concentrations des NPs de CeO2, originairement contenues dans la peinture et la teinture, a été mesurée avec le temps, sous l’effet de différentes conditions, ce qui a été attribué à l’agglomération et/ou la dissolution. Finalement, lorsque des panneaux peints et teints ont été placés à l’extérieur, le Ce relargué était principalement sous la forme dissoute, sans relargage significatif des NPs de CeO2.