Monolayer two-dimensional (2D) materials have been regarded as a hot topic in the fields of condensed matter physics, materials science, and chemistry due to their unique physical, chemical, and electronic properties. However, the research on the preparation method and properties understanding of the 2D monolayer are inadequate. In this dissertation, taking 2D nickel-iron layered double hydroxides (NiFe LDHs) and molybdenum disulfide (MoS2) as examples, the practicability of the direct synthesis of NiFe LDHs monolayer and the thermal enhancement catalytic performance of 2D MoS2 monolayer (MoS2 ML) are discussed. First, a one-pot synthetic strategy (bottom-up method) is presented to synthesize 2D NiFe-based LDHs monolayers, including NiFe, Co-, Ru-, doped, and Au-modified NiFe LDHs. The prerequisite and universality of this strategy are investigated and confirmed. The features of LDHs are characterized by advanced technologies. The obtained LDH bulks own a large interlayer spacing up to 8.2 Å, which can be facilely exfoliated into monolayers in water by hand-shaking within 10 s. As a result, the as-prepared NiFe-based LDH monolayers display a good electrocatalytic oxygen evolution reaction (OER) performance. This facile strategy paves the way for designing easily exfoliated LDHs for highly active catalysts and energy conversion devices based on other monolayer LDHs. Second, with gold-modified tape, 2D MoS2 ML is exfoliated from the bulk crystal through a micromechanical exfoliation method (top-down strategy). The thermal effects of MoS2 ML are confirmed by Raman and photoluminescence (PL) spectra. Moreover, an on-chip MoS2 ML hydrogen evolution reaction (HER) reactor is designed and fabricated. The thermal effects generate efficient electron transfer in the MoS2 ML and at the electrolyte-catalyst (MoS2 ML) interface, leading to an enhanced HER performance. Compared to the results obtained at room temperature, the MoS2 ML shows a direct thermal enhanced HER performance at higher temperatures. In summary, the findings and understandings, the direct synthesis and direct thermal enhancement catalytic performance, of 2D monolayers offer a guideline for synthesizing and catalyst application of other 2D monolayers.

Nesta tese foram desenvolvidos sensores amperométricos baseados em porfirinas supramoleculares e hidróxido de níquel nanoestruturado e estabilizado na fase alfa, bem como novos materiais baseados em hidróxidos mistos de níquel e cobalto nanoetruturados e estabilizados na fase alfa. Também, um analisador FIA amperométrico, foi desenvolvido em colaboração com o Laboratório de Instrumentação Analítica do IQ-USP, para a determinação e quantificação de SO2 livre em amostras reais, como vinhos, águas de coco e sucos de frutas. Os sensores amperométricos baseados em porfirinas supramoleculares foram empregados na determinação de SO2 livre, presente em sucos de frutas e águas de coco, utilizando um sistema FIA amperométrico. O sistema FIA amperométrico foi constituído de um injetor manual, uma cela amperométrica em fluxo integrada a uma unidade de difusão de gases e um fluxo de uma solução de ácido sulfúrico e de uma solução de eletrólito. Possíveis interferentes como ácido ascórbico, catecol, glicose e benzoato de sódio foram avaliados antes de iniciar as análises das amostras reais. Os resultados das análises foram comparados com o método oficial Monier-Williams. Os níveis de SO2 livre encontrados nas amostras estavam de acordo com o que é preconizado pela Legislação Brasileira. Os eletrodos de FTO, modificados com hidróxido de níquel estabilizado na fase alfa, foram utilizados como sensores amperométricos para a determinação de glicose, usando um sistema FIA amperométrico. Estes sensores apresentaram excelentes respostas lineares em concentrações inferiores a 100 µM. Ainda estes sensores têm apresentado uma sensibilidade específica muito elevada para a glicose, provavelmente associada com a sua natureza nanoestruturada, e consequêntemente sua área superficial aumentada. No entanto o eletrodo modificado apresentou uma tendência de mudar de fase, da fase meta-estável alfa para a fase termodinamicamente estável beta, com o aumento da concentração de glicose. Novos materiais baseados em hidróxidos mistos de níquel e cobalto estabilizados na fase alfa também foram desenvolvidos. A partir de técnicas como difratometria de raio-x e Microbalança Eletroquímica de Cristal de Quartzo (MECQ) foi possível determinar a fase polimórfica dos materiais. Técnicas como AFM e MEV demonstraram que estes materiais são formados por nanopartículas com tamanhos de 5 nm. Estes nanomateriais apresentaram uma maior quantidade de carga específica, em comparação com o hidróxido de níquel puro. E por último um analisador FIA amperométrico automatizado foi desenvolvido para a realização de análises de SO2 livre em amostras líquidas. Este analisador é composto por reservatórios de soluções, sistema de amostragem, sistema de propulsão das soluções, cela FIA amperométrica integrada a uma unidade de difusão de gases, um sensor amperométrico, além de placas controladoras, mini-potenciostato e um software para controlar o equipamento. Uma elevada reprodutibilidade foi alcançada para análises sequenciais de uma amostra, mas quando a amostra foi trocada a reprodutibilidade foi muito baixa, sendo necessário mais desenvolvimento do sistema FIA automatizado nesta área. / New nanomaterials based on mixed nickel and cobalt hydroxides stabilized in the alpha phase, as well as amperometric sensors based on supramolecular porphyrins and stabilized alpha nickel hydroxide were developed in this thesis. An amperometric FIA sulfite analyzer was also developed in colaboration with of Group of Analytical Instrumentation of IQ-USP, for determination of free SO2 present in liquid samples such as wine, coconut water and fruit juices. The amperometric FIA system is constituted by manual injector, amperometric FIA cell with integrated gas diffusion unit and amperometric sensor based on supramolecular porphyrins, whereas sulfuric acid and electrolyte were used as reactive and carrier solution. Some species such as ascorbic acid, cathecol, glucose and sodium benzoate were evaluated as possible interferents before starting the analyses of real samples. The results were compared with those obtained with the official Monier-Williams method. The concentrations of free SO2 found in fruit juices and coconut water were in accordance with Brazilian law. The amperometric FIA sensors for determination of glucose were based on FTO electrodes modified stabilized alpha nickel hydroxide, which presented excellent linear responses at concentrations below 100 µM. These sensors have shown a very high specific sensitivity for glucose probably associated with their nanostructured nature, and consequent enhanced surface area. Nevertheless, the electrode material was shown to have an increasing tendency to change from alpha to the beta phase as function of the glucose concentration. New materials based on mixed nickel and cobalt hydroxides, stabilized in the alpha phase was prepared and characterized by techniques such as X-ray diffraction, thermogravimetric analysis and Electrochemical Quartz Crystal Microbalance to determine their polymorphic phase. The nanostructured nature of the mixed nickel and cobalt hydroxide materials was confirmed by microscopy techniques such as AFM and SEM. These new materials showed a high specific charge, in fact higher than of nanostructured stabilized alpha nickel hydroxide. An amperometric FIA sulfite analyzer system for liquid samples consisting of solution reservoirs, a sampling system, a solution propulsion system, an amperometric FIA cell with integrated gas diffusion unit, an amperometric sensor based on supramolecular porphyrins, in addition to controller boards, a mini-potentiostat and control software, was developed and tested for determination of free SO2. High reproducibility was achieved for sequential analyses of a sample but the reproducibility after exchange of samples was relatively low, needing further developments in the sampling system.

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Nesta tese foram desenvolvidos sensores amperométricos baseados em porfirinas supramoleculares e hidróxido de níquel nanoestruturado e estabilizado na fase alfa, bem como novos materiais baseados em hidróxidos mistos de níquel e cobalto nanoetruturados e estabilizados na fase alfa. Também, um analisador FIA amperométrico, foi desenvolvido em colaboração com o Laboratório de Instrumentação Analítica do IQ-USP, para a determinação e quantificação de SO2 livre em amostras reais, como vinhos, águas de coco e sucos de frutas. Os sensores amperométricos baseados em porfirinas supramoleculares foram empregados na determinação de SO2 livre, presente em sucos de frutas e águas de coco, utilizando um sistema FIA amperométrico. O sistema FIA amperométrico foi constituído de um injetor manual, uma cela amperométrica em fluxo integrada a uma unidade de difusão de gases e um fluxo de uma solução de ácido sulfúrico e de uma solução de eletrólito. Possíveis interferentes como ácido ascórbico, catecol, glicose e benzoato de sódio foram avaliados antes de iniciar as análises das amostras reais. Os resultados das análises foram comparados com o método oficial Monier-Williams. Os níveis de SO2 livre encontrados nas amostras estavam de acordo com o que é preconizado pela Legislação Brasileira. Os eletrodos de FTO, modificados com hidróxido de níquel estabilizado na fase alfa, foram utilizados como sensores amperométricos para a determinação de glicose, usando um sistema FIA amperométrico. Estes sensores apresentaram excelentes respostas lineares em concentrações inferiores a 100 µM. Ainda estes sensores têm apresentado uma sensibilidade específica muito elevada para a glicose, provavelmente associada com a sua natureza nanoestruturada, e consequêntemente sua área superficial aumentada. No entanto o eletrodo modificado apresentou uma tendência de mudar de fase, da fase meta-estável alfa para a fase termodinamicamente estável beta, com o aumento da concentração de glicose. Novos materiais baseados em hidróxidos mistos de níquel e cobalto estabilizados na fase alfa também foram desenvolvidos. A partir de técnicas como difratometria de raio-x e Microbalança Eletroquímica de Cristal de Quartzo (MECQ) foi possível determinar a fase polimórfica dos materiais. Técnicas como AFM e MEV demonstraram que estes materiais são formados por nanopartículas com tamanhos de 5 nm. Estes nanomateriais apresentaram uma maior quantidade de carga específica, em comparação com o hidróxido de níquel puro. E por último um analisador FIA amperométrico automatizado foi desenvolvido para a realização de análises de SO2 livre em amostras líquidas. Este analisador é composto por reservatórios de soluções, sistema de amostragem, sistema de propulsão das soluções, cela FIA amperométrica integrada a uma unidade de difusão de gases, um sensor amperométrico, além de placas controladoras, mini-potenciostato e um software para controlar o equipamento. Uma elevada reprodutibilidade foi alcançada para análises sequenciais de uma amostra, mas quando a amostra foi trocada a reprodutibilidade foi muito baixa, sendo necessário mais desenvolvimento do sistema FIA automatizado nesta área. / New nanomaterials based on mixed nickel and cobalt hydroxides stabilized in the alpha phase, as well as amperometric sensors based on supramolecular porphyrins and stabilized alpha nickel hydroxide were developed in this thesis. An amperometric FIA sulfite analyzer was also developed in colaboration with of Group of Analytical Instrumentation of IQ-USP, for determination of free SO2 present in liquid samples such as wine, coconut water and fruit juices. The amperometric FIA system is constituted by manual injector, amperometric FIA cell with integrated gas diffusion unit and amperometric sensor based on supramolecular porphyrins, whereas sulfuric acid and electrolyte were used as reactive and carrier solution. Some species such as ascorbic acid, cathecol, glucose and sodium benzoate were evaluated as possible interferents before starting the analyses of real samples. The results were compared with those obtained with the official Monier-Williams method. The concentrations of free SO2 found in fruit juices and coconut water were in accordance with Brazilian law. The amperometric FIA sensors for determination of glucose were based on FTO electrodes modified stabilized alpha nickel hydroxide, which presented excellent linear responses at concentrations below 100 µM. These sensors have shown a very high specific sensitivity for glucose probably associated with their nanostructured nature, and consequent enhanced surface area. Nevertheless, the electrode material was shown to have an increasing tendency to change from alpha to the beta phase as function of the glucose concentration. New materials based on mixed nickel and cobalt hydroxides, stabilized in the alpha phase was prepared and characterized by techniques such as X-ray diffraction, thermogravimetric analysis and Electrochemical Quartz Crystal Microbalance to determine their polymorphic phase. The nanostructured nature of the mixed nickel and cobalt hydroxide materials was confirmed by microscopy techniques such as AFM and SEM. These new materials showed a high specific charge, in fact higher than of nanostructured stabilized alpha nickel hydroxide. An amperometric FIA sulfite analyzer system for liquid samples consisting of solution reservoirs, a sampling system, a solution propulsion system, an amperometric FIA cell with integrated gas diffusion unit, an amperometric sensor based on supramolecular porphyrins, in addition to controller boards, a mini-potentiostat and control software, was developed and tested for determination of free SO2. High reproducibility was achieved for sequential analyses of a sample but the reproducibility after exchange of samples was relatively low, needing further developments in the sampling system.

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<p>Ispitivani su dvostruki slojeviti hidroksidi, LDH i me&scaron;oviti oksidi nastali njihovom<br />razgradnjom, sa različitim sadržajem Mg-Al-Fe i pro&scaron;irenom supstitucijom aluminijuma.<br />Koprecipitacione metode male i velike prezasićenosti odabrane su za sintezu LDH op&scaron;te<br />formule [Mg1_-xM(III)_x(OH)₂](CO₃)_x/2 &sdot; mH₂O, gde M(III) pretstavlja Al i/ili Fe, a x udeo<br />trovalentnih anjona, x = M(III) / [M(II) + M(III)], variran u intervalu 0,15 &lt; x &lt; 0,7.<br />Katalizatori na bazi me&scaron;ovitih oksida sa gvožđem pogodni za upotrebu u redoks<br />reakcijama, formirani su nakon termičke aktivacije - razlaganja LDH. Izvr&scaron;ena je<br />karakterizacija me&scaron;ovitih oksida nastalih iz LDH, kao i netretiranih LDH, ispitivanjem<br />kristalne strukture (XRD), termičke stabilnosti (TG-DTA), teksture (adsorpcija N₂), redoks<br />(H₂ TPR) i kiselo-baznih karakteristika (NH₃ TPD), a utvrđena je i priroda prisutnih vrsta<br />gvožđa (Moessbauer spektroskopija). Pokazano je kako metoda pripreme i obim<br />supstitucije M(III) jona utiču na strukturne, povr&scaron;inske i redoks karakteristike LDH i<br />njihovih me&scaron;ovitih oksida u korelaciji sa katalitičkim svojstvima u odabranim test<br />reakcijama (razgradnja N₂O i redukcija sa NH₃). Utvrđeno je da na katalitičku aktivnost<br />dominantno utiču redoks karakteristike i priroda vrste gvožđa u me&scaron;ovitom oksidu, ali<br />takođe i strukturne karakteristike polaznog LDH, pri čemu je povr&scaron;inska struktura aktivnih<br />centara intervalentnog Fe²⁺-Fe³⁺gvožđa ključna za redoks procese ispitivanih reakcija.<br />Kod svih me&scaron;ovitih oksida dobijenih iz LDH aktivni centri imaju relativno jednake jačine,<br />dok razlike u katalitičkom pona&scaron;anju potiču od razlika u dostupnosti aktivnih centara.<br />Najbolje performanse u katalitičkim reakcijama pokazali su uzorci sa najmanjom<br />stabilno&scaron;ću inicijalnih LDH kod kojih je količina supstituisanih M(III) jona bila blizu<br />granice za inkorporaciju u LDH matricu (x = 0,5), a naročito uzorak sintetisan metodom<br />velike prezasićenosti sa malom količinom dodatne Al(OH)₃ faze.</p> / <p>Layered double hydroxides (LDHs) and derived mixed oxides with different Mg-Al-Fe content and extended aluminum substitution were investigated. High and low supersaturation precipitation methods were used for the synthesis of LDHs with general formula [Mg1_-x M(III)_x (OH)₂](CO₃)_x/2 &sdot; mH₂O where M(III) presents Al and/or Fe and x the content of trivalent ions, x = M(III) / [M(II) + M(III)], varied between 0.15 &lt; x &lt; 0.7. Iron-containing mixed oxides, suitable as catalysts for redox reactions, were formed after thermal activation - decomposition of LDH. Both, LDHs and derived mixed oxides were characterized with respect to crystalline structure (XRD), thermal stability (TG-DTA), textural (N₂ adsorption), redox (H₂ TPR) and acid-base properties (NH₃ TPD) as well as the nature of the iron species (Moessbauer spectroscopy). It was demonstrated how preparation method and the extent of M(III) substitution influence the structure, surface and redox properties of LDHs and derived mixed oxides in correlation to catalytic properties in chosen test reactions (N₂O decomposition and reduction with NH3). The catalytic behavior is mainly determined by the redox properties and the nature of the iron species in mixed oxides, but also by the structural properties of initial LDHs. It was confirmed that surface structure of intervalent Fe²⁺-Fe³⁺ iron active sites is crucial for the redox processes in chosen reactions. The strength of active sites is similar for all mixed oxides derived from LDH, but the differences in catalytic behavior arise from the differences in active sites accessibility. The best catalytic results were obtained when the stability of the initial LDH matrix was lowest e.g. when the amount of substituted M(III) was near the limit for the incorporation into LDH matrix (x = 0.5), especially for the sample synthesized with high superasaturation method containing a small amount of additional Al(OH)₃ phase.</p>