Para contribuir al creciente requerimiento de una caracterización rigurosa de los materiales utilizados en el campo de nanotoxicología, el estudio de los problemas de toxicidad y seguridad de los nanomateriales, esta tesis tiene como objetivo describir la evolución de la identidad de las nanopartículas (capítulos 2 y 3), centrándose en la plata, un material muy comercializado, cuando se expone a entornos biológicos. Esta identidad completa puede ser el resultado de procesos individuales, incluyendo la agregación, la aglomeración, la adsorción de proteínas (o biomoléculas), la corrosión y la disolución, o todos ellos a la vez. La reactividad química de las nanopartículas, lo que hace de ellas unos materiales muy útiles para muchos productos, puede ser, al mismo tiempo, motivo de preocupación sobre el efecto nocivo para la salud. Esta preocupación puede ser abordada mediante el aumento de la persistencia de las nanopartículas. Sin embargo, también hay que considerar la posibilidad de perder la reactividad deseada debido al aumento de la persistencia. Por lo tanto, es importante controlar y equilibrar estas dos propiedades. En tales circunstancias, esta tesis también tiene como objetivo investigar la reactividad química y la persistencia de las nanopartículas de plata (AgNPS) en medios biológicos, así como el modo de controlarlas. En particular, la disolución de las AgNPs con diferentes propiedades de superficie se ha estudiado en medios de cultivo celular completos y se han identificado y cuantificado las especies generadas debido a este proceso (capítulo 3). A continuación, se ha trabajado en el control de la reactividad química de las AgNPs utilizando diferentes enfoques, incluyendo la pasivación de la superficie, conduciendo el equilibrio y estructuras core-shell (capítulos 3 y 4). Además, la correlación de los comportamientos de las nanopartículas en ambientes biológicos con su correspondiente respuesta biológica es crucial para comprender mejor el mecanismo de respuesta. Gracias a estancias cortas en diferentes laboratorios de biología, también han sido exploradas otras consideraciones respecto a la determinación de los efectos tóxicos tales como citotoxicidad, inmunotoxicidad y ecotoxicidad (capítulo 5). / Contributing to an increasing requirement of strict material characterization in the field of nanotoxicology, the study of toxicity and safety issues of nanomaterials, this thesis dissertation aims at describing the evolution of the identity of nanoparticles (chapters 2 and 3), focusing on silver, a highly commercialized material, when they are exposed to biological environments. This complete identity can be a result of individual processes including aggregation, agglomeration, protein (or biomolecule) adsorption, corrosion and dissolution or mixtures of them. Chemical reactivity of nanoparticles, which make them useful for many products, may, at the same time, cause concern about adverse health effect. This concern can be solved by increasing the persistence of the nanoparticles. However, the possibility to lose the desired reactivity due to increased persistency should also be considered. Hence, it is important to control and balance these two properties. In such circumstances, this thesis also aims to investigate the chemical reactivity and persistency of silver nanoparticles (AgNPs) in biological media as well as how to control them. Particularly, dissolution of AgNPs with different surface properties has been studied in complete cell culture media and the generated species due to this process have been identified and quantified (chapter 3). Then, chemical reactivity of AgNPs has been tuned using different approaches including surface passivation, equilibrium driving and core-shell structures (chapters 3 and 4). Additionally, correlating the behaviors of nanoparticles in biological environments with their corresponding biological response is crucial to better understand the response mechanism. Thankful to short visits to different biology laboratory, various considerations in determining toxic effects (cytotoxicity, immunotoxicity and ecotoxicity) have been explored (chapter 5).

La present Tesi doctoral s'inscriu en el marc del conveni de col·laboració per a la seva co-tutela suscrit entre la Universitat Rovira i Virgili, i la Université Abdelmalek Essaadi de Tetuán (Marroc) i que s'inicià en el marc dels projectes d'investigació conjunts hispano-marroquís de referèncias A/015931/08 i C/030686/10 del Programa de Cooperación Interuniversitaria e Investigación Científica entre España y Países del Mediterráneo, centrats en estudis catalítics de complexos de coordinació. A la present memòria s'ha realitzat una contribució a la química de coordinació i de derivats de Crom i Manganès a catàlisi homogènia, abordant diferents aspectes de síntesi, caracterizació, reactivitat i propietats catalítiques. L'objectiu de la Tesi és l'obtenció de carbonats orgànics, substàncies amb amplies aplicacions, a partir d'alquens amb la utilizació de diòxid de carboni, un subproducte de la combustió de combustibles fòsils. S'ha plantejat aquest procés en dues etapes. En primer lloc s'ha estudiat l'oxidació dels alquens a epòxids. En una segona etapa, la reacció dels epòxids amb diòxid de carboni dóna lloc a la formació dels carbonats orgànics. Aquestes duess reaccions requereixen la utilizació de catalitzadors. La Tesi s'ha centrat en el desenvolupament d'una família de catalitzadors per a aquestes transformacions basats en complexos de coordinació de metalls de transició amb lligands monoaniònics tridentats NN'O-donadors. / La presente Tesis doctoral se inscribe en el marco del convenio de colaboración para su co-tutela suscrito entre la Universidad Rovira i Virgili, y la Universidad Abdelmalek Essaadi de Tetuán (Marruecos) y que se inició al amparo de los proyectos de investigación conjuntos hispano-marroquí de referencias A/015931/08 y C/030686/10 del Programa de Cooperación Interuniversitaria e Investigación Científica entre España y Países del Mediterráneo, centrados en estudios catalíticos de complejos de coordinación. En la presente memoria se ha tratado de realizar una contribución a la química de coordinación y de derivados de Cromo y Manganeso en catálisis homogénea, abordando diferentes aspectos de síntesis, caracterización, reactividad y propiedades catalíticas. El objetivo de la Tesis es la obtención de carbonatos orgánicos, substancias con amplias aplicaciones, a partir de alquenos con la utilización de dióxido de carbono, un subproducto de la combustión de combustibles fósiles. Se ha planteado este proceso en dos etapas. En primer lugar se ha estudiado la oxidación de los alquenos a epóxidos. En una segunda etapa, la reacción de los epóxidos con dióxido de carbono da lugar a la formación de los carbonatos orgánicos. Estas dos reacciones requieren la utilización de catalizadores. La Tesis se ha centrado en el desarrollo de una familia de catalizadores para estas transformaciones basados en complejos de coordinación de metales de transición con ligandos monoaniónicos tridentados NN'O-dadores. / This doctoral Thesis has been performed in the framework of a collaborative agreement for the co-supervision of this Thesis, which has been accorded between the Universitat Rovira i Virgili (Tarragona, Spain), and the Université Abdelmalek Essaadi (Tetouan, Morocco). This agreement was initiated with two research projects hispano-moroco with references A/015931/08 y C/030686/10 form the Programa de Cooperación Interuniversitaria e Investigación Científica entre España y Países del Mediterráneo, focused on the catalytic studies of coordination compounds. The objective of the Thesis is to obtain organic carbonates, compounds with wide applications, from alkenes by using carbon dioxide, which is a by product of the combustion of fossil fuels. We have undertaken this process in two steps. In a first step, we studied the oxidation of alkenes to epoxides. In a second step, the reaction of the epoxides with carbon dioxide lead to the organic carbonates. This two reaction require the use of catalysts. The Thesis has focused on the development of a family of catalysts for these two transformations based on transition metal complexes with monoanionic tridentate NN'O-donor ligands.

La tasca investigadora realitzada, i recollida en la present Tesi Doctoral, és el resultat de l'estudi i caracterització de l'especificitat metàl·lica, vers Zn(II), Cu(I) i Cd(II), de diferents metal·lotioneïnes i de l'anàlisi dels factors que poden determinar aquesta especificitat. El conjunt de proteïnes estudiades el componen principalment isoformes d’MTs de mol·luscs: els cargols terrestres H.pomatia i C.aspersum i el barretet marí M.crenulata. L’estudi de les propietats coordinants d’aquestes proteïnes ha fet possible establir l'existència, en els dos cargols, d’una isoforma d’MT amb una clara preferència per Cd(II) i d’altres per Cu(I), podent relacionar aquest comportament amb el rol fisiològic d’aquestes proteïnes (destoxicació de cadmi i homeòstasi de coure, respectivament). En canvi, M.crenulata té una única MT, McMT, que no presenta una clara especificitat per Zn(II), Cd(II) o Cu(I), podent participar en ambdós tipus de processos fisiològics. L'estudi conjunt de les diferents MTs ha permès concloure que proteïnes similars (contingut en cisteïnes i la seva posició relativa dins la cadena peptídica) poden presentar especificitats metàl·liques molt diferents, sent els aminoàcids no coordinants els responsables d’aquesta diversitat. S’han estudiat també altres MTs: de B.floridae (amfiox) i de D.melanogaster (mosca). L’amfiox, considerat un organisme model en l’estudi del llinatge evolutiu dels vertebrats, ha estat àmpliament estudiat a nivell genòmic i proteic, però fins el moment es desconeixia l’existència d‘MTs. La descripció del seu genoma complert va permetre identificar dues isoformes d’MT (BfMT1 i BfMT2), que posteriorment varem produir recombinantment. L’estudi de les característiques coordinants d’aquestes dues proteïnes ha permès establir que BfMT1 presenta una certa especificitat per enllaçar Cu(I) mentre que BfMT2 mostra una major especificitat metàl·lica per Zn(II) i Cd(II), fets que concorden amb el comportament observat a nivell genòmic dels seus respectius gens. D’altra banda, en Drosophila havíem descrit i estudiat 4 isoformes d’MT, totes elles amb una clara preferència per Cu(I). En aquest treball s’ha estudiat una cinquena MT, MtnE, descoberta recentment. Els resultats obtinguts indiquen que MtnE és la isoforma amb menor especificitat per Cu(I) del conjunt d’MTs de D.melanogaster, amb un lloc de coordinació particular per Zn(II). Addicionalment, s’ha utilitzat l’acoblament d’un sistema cromatogràfic (size exclusion- HPLC) amb diferents tipus de detecció (UV-Vis, ESI-MS i ICP-MS) per estudiar l’evolució amb el temps d’algunes preparacions d’MTs, aquelles riques en lligands sulfur. Els resultats han permès observar el creixement i compactació dels agregats CdxSy-MT de les preparacions inicials obtingudes in vivo. Finalment s'han determinat els paràmetres termodinàmics associats a la reacció de bescanvi de Zn(II) per Cd(II) en diverses MTs mitjançant la tècnica d'ITC (Isothermal Titration Calorimetry). Aquest estudi ha permès establir en les MTs estudiades una relació entre els valors calculats de les constants d’afinitat i l’especificitat metàl·lica vers ions metàl·lics divalents i monovalents. / The research work embodied in this PhD Thesis is the result of the study and characterization of the metal specificity, towards Zn (II), Cu (I) and Cd (II), of different metallothioneins and of the analysis of the factors that could determine this specificity. The set of studied proteins is mainly composed by mollusc MT isoforms: the terrestrial snails H.pomatia and C.aspersum and the keyhole limpet M.crenulata. The study of the coordination properties of these proteins allowed to establish the existence, in both snails, of an MT isoform with a clear preference for Cd(II) and others to Cu(I), which correlates with their physiological role (cadminun detoxification and copper homeostasis, respectively). In contrast, M.crenulata has only one MT, McMT, which does not show any clear specificity for Zn(II), Cd(II) nor Cu(I), being able to participate in both type of physiological processes. The comparison of the behaviour of these different MTs allowed to conclude that similar proteins (in terms of cysteine content and their relative position in the peptide chain) can exhibit very different metal specificities, being the non-coordinating aminoacids responsible for this diversity. Others MTs have also been studied: from B.floridae (amphioxus) and D.melanogaster (fly). Amphioxus, which is considered a model organism for the study of the vertebrates's evolutive lineage, has been extensively studied at genomic and protein level, but until now the existence of MTs was not described. The report of its complete genome allowed to identify two MT isoforms (BfMT1 and BfMT2), which were recombinantly produced in our labs. The study of their coordinating abilities allowed to observe that BfMT1 shows some specificity to bind Cu(I) while BfMT2 shows greater specificity towards Zn(II) and Cd(II). This is consistent with the behavior at genomic level their respective genes. Already described and studied four MT isoforms in Drosophila, all of them exhibiting a clear preference for Cu(I). In this work we have studied a fifth MT, MtnE, recently discovered. The results obtained indicate that MtnE is the isoform with the lowest specificity for Cu(I) among the set of D.melanogaster MTs, embracing a particular coordination for Zn(II). Additionally, the coupling of a chromatographic system (size-exclusion HPLC) with different detection techniques (UV-Vis, ESI-MS and ICP-MS) was carried out in order to study the time evolution of some MTs preparations, those rich in sulfide ligands. The results allowed to observe the growth and compactation of the CdxSy-MT aggregates formed in vivo. Finally, the thermodynamic parameters related with the Zn(II) for Cd(II) replacement process in various MTs have been determined by means of ITC (Isothermal Titration Calorimetry). This has allowed to establish a relationship between the calculated values of the affinity constants of the studied MTs and their metal specificity towards monovalent and divalent metal ions.

El desarrollo de interfaces neuronales requiere el uso de nuevos materiales electroactivos y biocompatibles, que al aplicar campos eléctricos no causen efectos secundarios que pueden dañar los tejidos o degradar la funcionalidad del electrodo. A día de hoy, existen diferentes materiales electroactivos que se usan como electrodos en el sistema nervioso: oro, platino, carbón, Pt-Ir o IrOx entre otros, siendo este último el que ha mostrado superiores resultados. Una alta eficiencia electroquímica, estabilidad en condiciones biológicas y biocompatibilidad, han hecho del IrOx el material más prometedor como electrodo para estimulación y registro de señales neuronales. Sin embargo, los avances tecnológicos han generado una demanda de nuevos materiales con propiedades mejoradas y con menos inconvenientes que los actuales (bajos valores de capacidad de carga o la rigidez inherente de este tipo de óxidos, ya que presentan poca compatibilidad con los tejidos blandos). Estas mejoras se pueden conseguir con el uso de materiales híbridos, que unan las diferentes propiedades de los componentes. En este sentido, se han preparado electroquímicamente híbridos IrOx-CNTs, con propiedades mejoradas tras la adicción de nanotubos de carbono. La composición química de estos híbridos es muy parecida a la obtenida para IrOx, aunque la incorporación de nanotubos de carbono hace la superficie más rugosa, aumentando de esta manera el área superficial del material. Estas propiedades, junto con el aumento de la conductividad proporcionada por los nanotubos de carbono, tienen como consecuencia elevados valores de capacidad de carga electroquímica. También, la estabilidad de las capas resultantes mejora en comparación con las muestras de IrOx. Las pruebas de biocompatibilidad realizadas a las muestras IrOx-CNTs han mostrado una alta supervivencia y funcionalidad neural, parecida a la obtenida con IrOx o borosilicato (usado como referencia). Estos datos, validan este tipo de nuevos materiales como prometedores electrodos neurales. También se han preparado híbridos de IrOx con grafito y grafeno. En ambas capas, se ha observado la presencia de partículas de carbón, aunque la presencia de grafeno de única lámina no ha podido ser confirmada, y serán necesarios más experimentos. Las propiedades electroquímicas de estos híbridos, IrOx-grafito e IrOx-grafeno, son similares a las obtenidas para IrOx-CNTs, pero con mayores valores de capacidad de carga. Sin embargo, la estabilidad electroquímica es pobre para el híbrido de grafito, y finalmente la capa se despega, debido presuntamente, a la estructura heterogénea de los híbridos de grafito, en la cual, grandes partículas de carbón no están completamente introducidas en la matriz del IrOx. Híbridos de IrOx con grafeno dopado con nitrógeno se han preparado también, mostrando buenas propiedades y altos valores de capacidad de carga y estabilidad, incluso comparados con los resultados obtenidos para los híbridos con grafeno no dopado. El aumento de la conductividad en estos materiales se puede deber a la presencia de nitrógeno, que induce el aumento de defectos en las láminas de grafeno. La biocompatibilidad de estos materiales híbridos grafíticos está siendo estudiada. Tri-híbridos poliméricos también han sido sintetizados electroquímicamente, IrOx-PEDOT-CNTs. El uso de una matríz polimérica, ofrece más flexibilidad al futuro electrodo, lo que es deseable para aplicaciones en tejidos blandos. Sin embargo, los primeros resultados obtenidos muestran que el polímero encapsula los nanotubos de carbono y el IrOx, minimizando sus propiedades electroquímicas. Como consecuencia, la conducta electroquímica del material híbrido es muy similar a la obtenida en otros polímeros, como PEDOT-PSS. Las pruebas de biocompatibilidad para estos híbridos poliméricos muestran baja viabilidad neuronal, aunque un nuevo modelo de co-cultivos (astrocitos-neuronas) se ha propuesto para mejorar la biocompatibilidad en este tipo de materiales. Los materiales obtenidos en todos los casos, son capas bien adheridas, lo que permite su futuro uso como electrodos o substratos de crecimiento neuronal. / The development of neural interfaces requires new electroactive and biocompatible materials, capable to apply electric fields without secondary effects, as large impedances at the interface or radical formation, which can cause damage in the tissues and the degradation of the electrode functionality. Currently, different types of electroactive materials are available for application as electrodes in the neural system: gold, platinum, glassy carbon, Pt-Ir, TiN or IrOx, among others, being the last, the one with superior performance. Properties such as high electrochemical efficiencies, good bio-stability and significant biocompatibility, have turned out IrOx into one of the most promising material for neural recording and stimulation electrodes. However, new technological breakthroughs have generated a demand of novel materials, with enhanced properties and which also minimize the drawbacks found in the actual ones, as low stability under electrochemical conditions, small values for charge capacity or the inherent rigidity of these oxides, which involves low compatibility with soft tissues. These improvements required may be achieved by hybrid materials, which join different properties from both counterparts. In this sense, IrOx-CNTs have been electrochemically prepared with enhanced properties. The chemical composition at the surface is very similar to that for IrOx, but the incorporation of carbon nanotubes makes the surface rougher, increasing the available interface area of the material. These properties, joined with the conductivity provided by the CNTs, yield very high values for charge storage capacity in electrochemical measurements. Also, the stability of the resulting coatings is improved in comparison with bare IrOx. The biocompatibility tests have shown high cellular survival and neuron functionality, similar to those values obtained for bare IrOx or borosilicate (used for reference), which validates these new materials as promising neural electrodes. IrOx hybrids with graphite and graphene also have been prepared. In both coatings, the presence of carbon particles has been demonstrated, although the confirmation of graphene sheets instead of few-layered graphene needs more experimental studies. The electrochemical properties of these IrOx-graphene and IrOx-graphite hybrids are similar than those obtained for IrOx-CNTs electrodes, with high values of charge storage capacity. However, the stability during consecutive cycling for the graphite-hybrid is poor and the coating is finally delaminated. These results are presumably due to heterogeneous structure in graphite-hybrids, in which the big carbon particles are not completely embedded in the IrOx matrix. Also, IrOx hybrids with N-doped graphene have been prepared, showing promising properties and very high values for charge storage capacity and stability, even when compared with non-doped IrOx-graphene coatings. The enhanced conductivity of these materials can be related with the presence of nitrogen, which induces the increase of the defects in the graphene sheets. The biocompatibility of these graphitic materials is under study. Polymeric tri-hibrids, IrOx-PEDOT-CNTs, have been also electrochemically synthesized. The use of a polymeric matrix is an effort to confer more flexibility to the electrode, which is desirable for soft tissue applications. However, the first results show that the polymer may encapsulate the CNTs and the IrOx particles, minimizing the electrochemical properties of these species. As a consequence, the electrochemical performance of the hybrid material is similar to those obtained for other polymers, as PEDOT-PSS. The biocompatibility tests have shown low neuronal viability in these substrates; however, co-cultures have been proposed as a novel method to improve biocompatibility in these types of materials. The materials obtained in all cases, are well adehered coatings, which leads to an easy future perpespective for their use as electrodes or cells substrates.

En esta tesis se presenta la comparación de dos sistemas catalíticos de paladio diferentes, el sistema molecular (complejos de Pd(II)) y el coloidal (nanopartículas de paladio) en reacciones de acoplamiento C-C (Suzuki-Miyaura) y en la resolución cinética oxidativa de alcoholes secundarios. Para este propósito, ligandos pirazólicos híbridos que contienen cadenas alquil-éter, alquil-tioéter o alquil-amino y carbenos N-heterocíclicos (NHC, de sus siglas en inglés, N-Heterocyclic Carbenes) se han sintetizado y utilizado para formar complejos de Pd(II) y para estabilizar nanopartículas de paladio (NPs de Pd) mediante la aproximación organometálica. Ambos sistemas catalíticos de paladio se caracterizaron con las técnicas apropiadas para estudiar el modo de coordinación de los ligandos y así comprender su papel en la catálisis. Los catalizadores sintetizados con los ligandos pirazólicos híbridos se han aplicado en reacciones de acoplamiento C-C (Suzuki - Miyaura). El resultado más importante de este trabajo se basa en las diferencias observadas en las reacciones de acoplamiento C-C, dependiendo de la naturaleza del catalizador empleado (bien sea un catalizador molecular o coloidal). Así, los catalizadores moleculares llevan a cabo la reacción de acoplamiento cruzado de Suzuki-Miyaura, junto con la deshalogenación del sustrato en diferentes proporciones. En contraste, las nanopartículas de paladio catalizan ya sea la reacción de Suzuki-Miyaura o el homoacoplamiento C-C (una alternativa a la reacción de Ullmann) dependiendo del haloderivado utilizado. Las diferencias observadas en la quimioselectividad de estos dos sistemas catalíticos soportan el hecho de que las reacciones llevadas a cabo con las NPs de Pd estabilizadas con los ligandos pirazólicos híbridos se llevan a cabo sobre la superficie de los coloides. Estos resultados señalan que las especies moleculares o coloidales de Pd elaboradas con estos ligandos pueden conducir a la selectividad de la reacción para el producto del acoplamiento cruzado, del homoacoplamiento o de la deshalogenación con la elección apropiada del catalizador. Los catalizadores sintetizados con los carbenos N-heterocíclicos (NHC) se han aplicado en la resolución cinética oxidativa de alcoholes secundarios. Solo el complejo del Carbeno N-Heterocíclico (NHC) derivado de (S)-BINAM y los complejos generados in situ a partir del precursor [Pd(OAc)2] y este carbeno presentan actividad y enantioselectividad en esta reacción. / This thesis reports the comparison of two different palladium catalytic systems, namely molecular (Pd(II) complexes) and colloidal systems (palladium nanoparticles) in C-C coupling reactions (Suzuki-Miyaura) and the oxidative kinetic resolution of secondary alcohols. For this purpose, hybrid pyrazole derived ligands containing alkylether, alkylthioether or alkylamino moieties and N-Heterocyclic Carbenes (NHC) have been synthesized and used to form Pd(II) complexes and to stabilize palladium nanoparticles (Pd NPs) by the organometallic approach. With the aim of studying the coordination mode of the ligands and further to understand their role in catalysis, both types of Pd species were characterized by appropriate techniques. The catalysts synthesized with hybrid pyrazole derived ligands have been applied in C-C coupling reactions (Suzuki-Miyaura). The most important feature of this work relies on the differences observed in the output of C-C coupling reactions, depending on the colloidal or molecular nature of the catalyst employed. Thus, molecular systems carry out typical Suzuki-Miyaura cross-coupling, together with the dehalogenation of the substrate in different proportions. In contrast, Pd NPs catalyze either Suzuki-Miyaura reaction or C-C homocoupling (an alternative to the Ullmann reaction) depending on the haloderivative used. Differences observed in the chemoselectivity of these two catalytic systems support that reactions carried out with Pd NPs stabilized with the hybrid pyrazole ligands employed here take place on the surface of the colloids. These results point out that Pd-hybrid pyrazole molecular or colloidal species can drive the selectivity of the reaction to the cross-coupling, the homocoupling or the dehalogenation product with the appropriate choice of the catalyst. The catalysts synthesized with N-Heterocyclic Carbenes (NHC) have been applied in the oxidative kinetic resolution of secondary alcohols. Only the N-Heterocyclic Carbene (NHC) complex derived from (S)-BINAM and the complexes generated in situ from the precursor [Pd(OAc)2] and this carbene exhibit activity and enantioselectivity in this reaction.

En este trabajo se ha estudiado la síntesis de nanopaticulas tipo ferrita (MFe2O4) y el desarrollo de nuevas capas superconductoras de YBa2Cu3O7-δ con dichas nanopartículas magnéticas embebidas: Primeramente, una nueva metodología sintética llevada a cabo por una vía térmica y otra microondas fue optimizada. A continuación, las ferritas obtenidas de MFe2O4 (M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) fueron caracterizadas mediante técnicas comunes de laboratorio, con tal de demostrar que ambas vías sintéticas producen nanopartículas similares en alta concentración y de alta calidad. Por ello, se seleccionaron e introdujeron nanopartículas de MnFe2O4 dentro de capas superconductoras de YBa2Cu3O7-δ mediante técnica de impresión, utilizado la metodología ex-situ, con el fin de mejorar sus propiedades superconductoras. Además, se han utilizado sofisticadas técnicas de radiación de neutrones y de sincrotrón con el objetivo de realizar un profundo estudio de la estructura y propiedades de las nanopartículas y de diferentes nanocompuestos de las capas superconductoras. Los resultados obtenidos mediante las técnicas de Dicroísmo Circular Magnético de Rayos-X (XMCD), junto a la difracción de Rayos-X y neutrones (XRD, ND) han permitido estudiar la estructura, la composición y el comportamiento de estos nuevos nanocompuestos de YBa2Cu3O7-δ. / In this PhD work the synthesis of MFe2O4 nanoparticles and the development of new YBa2Cu3O7-δ superconducting layers with those magnetic nanoparticles embedded has been studied: First, a new one-pot synthetic methodology via two approaches, thermal and microwave, was optimised. Then, the obtained MFe2O4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) ferrites were characterised with common laboratory techniques to demonstrate that both heating methods produce similar high quality nanoparticles in high concentration. Thus, MFe2O4 nanoparticles were embedded inside YBa2Cu3O7-δ superconducting layers in order to improve their intrinsic properties via ex-situ approach, using ink-jet printing deposition. Neutron and synchrotron radiation were profited as powerful techniques to accomplish a deep study of the structure and properties of the nanoparticles and different nanocomposite superconducting layers. X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD), X-ray and Neutron Diffraction (XRD, ND) analyses have been exploited to obtain information about the structure, composition and behaviour of the new generated YBa2Cu3O7-δ -Nanoparticles nanocomposite.

El plomo es uno de los metales más nocivos para la salud humana y su incidencia en la misma deber ser tenida en cuenta debido a su amplia distribución en el medio ambiente. El catión Pb(II) interactúa preferentemente con proteínas que contienen Zn(II) (ALAD, CadC, GATA, dedos de Zn) y Ca(II) (CaM, PKC, syt) causando no sólo interferencias en algunos procesos metabólicos (principalmente la biosíntesis de hemoglobina), sino que también inhibe varias enzimas, provocando daños en el sistema nervioso central (SNC). Frente a estos efectos nocivos del Pb(II), los seres vivos han desarrollado mecanismos de defensa y detoxificación, entre los que se encuentran las metalotioneínas. Las metalotioneínas (MTs) son unas proteínas muy versátiles, presentes en la mayoría de organismos, cuyo inusual alto contenido en Cys les confiere una alta capacidad para enlazar metales pesados (Zn(II), Cd(II), Cu(I), Ag(I), Hg(II), Pb(II), etc.), tanto in vivo como in vitro, permitiéndoles actuar como agentes detoxificadores. En base a estos antecedentes y a los estudios desarrollados previamente por este grupo de investigación, en esta Tesis Doctoral se pretende estudiar el posible papel de “Las metalotioneínas de mamífero como agentes detoxificadores de Pb(II)”. Para ello, se estudia la habilidad coordinante de las diferentes isoformas de MTs de mamífero, MT1 y MT2 (ubicuas), MT3 (cerebro) y MT4 (epitelio escamoso estratificado), y de la MT de levadura, Cup1, frente a Pb(II). Simultáneamente, se analizan los factores experimentales (concentración de MT, Tª, pH y tiempo de estabilización) que pueden afectar a dicha coordinación. Estos estudios se han llevado a cabo mediante la utilización de técnicas espectroscópicas (DC y UV-vis), espectrométricas (ESI-TOF MS) y microcalorimétricas (ITC). Además, en este trabajo se ha intentado relacionar el carácter de Zn- o Cu-tioneína de las MTs estudiadas con su capacidad coordinante frente a Pb(II). Por este motivo, se ha incluido el estudio de una Cu-tioneína genuina como es la isoforma Cup1 de levadura. En general, los resultados obtenidos revelan una gran complejidad en la interacción de las MTs de mamífero con Pb(II), de manera que no se pueden hacer extrapolaciones sobre el potencial comportamiento de una determinada isoforma de MT frente a Pb(II) a partir de su carácter de Zn- o Cu-tioneína. Como resultados específicos, se sabe que MT3 es la que presenta una mayor capacidad detoxificadora frente al ión Pb(II) en condiciones similares a las fisiológicas (pH 7.0 y 37 ºC). Adicionalmente, se concluye que, entre los factores experimentales estudiados; el pH, es el que tiene mayor influencia en la formación y estabilidad de las especies Pb-MT. Por otra parte y en relación al carácter de Zn- o Cu-tioneína de las MTs, se ha comprobado que éste no determina completamente la eficacia de la coordinación del ión Pb(II) a la proteína, si bien influye en la manera en que el plomo se coordina a ella. / Lead is one of the major hazards in human health and its impact on it must be taken into account due to its wide distribution in the environment. The Pb(II) cation preferentially interacts with proteins containing Zn(II) (ALAD, CadC, GATA, Zn-fingers) and Ca(II) (CaM, PKC, syt) causing not only interferences in some metabolic processes (mainly the biosynthesis of hemoglobin) but also the inhibition of several enzymes and damages at the central nervous system (CNS). Living organisms have developed defense and detoxification mechanisms against these deleterious effects of Pb(II), among which we can find metallothioneins (MTs). MTs are among the most versatile metal-binding proteins present in all organisms. Their unusually high Cys content confers them a high capacity to chelate heavy metal ions (e.g. Zn(II), Cd(II), Cu(I), Ag(I), Hg(II), Pb(II)), both in vivo and in vitro, allowing them to act as detoxifying agents. Taking into account this background and the previous studies of our research group, in this PhD Thesis we intended to study the possible role of “The mammalian metallothioneins as detoxifying agents for Pb(II)”. To this end, we studied the coordinating ability of the different mammalian MT isoforms, MT1 and MT2 (ubiquitous), MT3 (brain-specific) and MT4 (stratified epithelium) and of yeast, Cup1, tpwards Pb(II). Simultaneously, we analyzed the experimental factors (concentration of MT, T, pH and stabilization time) that may affect such coordination. Spectroscopic (DC, and UV-vis), spectrometric (ESI-TOF MS) and microcalorimetric (ITC) techniques were used. In addition, the Zn or Cu-thionein character of the MTs under study was related to their Pb(II)-binding ability. As a reference, the genuine Cu-tioneína Cup1 from yeast was also studied following the same strategy. Overall, the results show a complex interaction between Pb(II) an each of the mammalian MTs. Therefore, the Pb(II)-binding abilities of a determined mammalian MT isoform cannot be extrapolated from its known Zn- or Cu-thionein character. Turning to specific results, we conclude that MT3 shows the highest Pb(II)-detoxifying capacity under conditions similar to the physiological ones (pH 7.0, 37 ºC). Furthermore, our results lead us to conclude that, among the experimental factors analyzed here, pH shows the highest influence on the formation and stability of the Pb-MT species. Moreover, it has been demonstrated that the Cu- or Zn-thionein character of MTs does not completely determine the efficiency of the Pb(II) coordination to the protein, but that it influences the way in which the lead coordinates to the protein.

El 129I està considerat un radionúclid perillós a causa del seu llarg temps de vida mitjana, la baixa interacció que presenta amb la majoria dels materials geològics i la seva rellevància biològica. L'activitat nuclear ha generat al voltant de 5068 kg de 129I, apareixent molt diluït en les deixalles aquoses de les centrals nuclears. Els hidròxids dobles laminars (HDLs) de Mg/Al han estat estudiats com materials adsorbents de iodur, fent proves amb diferents ràtios i diferents anions interlaminars. La capacitat d'adsorció es veu seriosament afectada per les propietats texturals del material, i els òxids mixtes derivats de les HDLs de carbonat amb ràtio Mg/Al 3/1 tenen la major capacitat d'adsorció, la qual s'incrementa amb l'aplicació d'ultrasons. HDLs de diferents composicions es van estudiar també com a possibles candidats per a la immobilització de iode (com iodat o com iodur) utilitzant diferents mètodes d'incorporació: coprecipitació, intercanvi aniònic i reconstrucció. La reconstrucció dóna la major incorporació de iodat, ca. El 54% enfront del ca. 40% que va aconseguir per coprecipitació. També es va estudiar l'estabilitat tèrmica dels materials i la pèrdua de iodat en contacte amb una solució. La pèrdua al escalfar a 453 K les mostres va ser molt significativa i també ho va ser la pèrdua de iodat en contacte amb aigua Milli-Q o salmorra. En l'etapa actual de la investigació es poden considerar els HDLs com a aptes per adsorbir iodur d'una solució però no són adequats per a un emmagatzematge a llarg termini de iode radioactiu. / El 129I está considerado un radionucleido peligroso debido a su largo tiempo de vida media, la baja interacción que presenta con la mayoría de los materiales geológicos y su relevancia biológica. La actividad nuclear ha generado alrededor de 5068 kg de 129I, apareciendo muy diluido en las desechos acuosos de las centrales nucleares. Los hidróxidos dobles laminares (HDLs) de Mg-Al con diferentes ratios y diferentes aniones interlaminares han sido estudiados como materiales adsorbentes de yoduro. La capacidad de adsorción se vió fuertemente afectada por las propiedades texturales del material, y los óxidos mixtos derivados de las HDLs de carbonato con ratio Mg/Al 3/1 tienen la mayor capacidad de adsorción, la cual se incrementa con la aplicación de ultrasonidos. HDLs de diferentes composiciones se estudiaron también como posibles candidatos para la inmovilización de yodo (como yodato o como yoduro) usando diferentes métodos de incorporación: coprecipitación, intercambio aniónico y reconstrucción. La reconstrucción da la mayor incorporación de yodato, ca. 54% frente al ca. 40% que alcanzó por coprecipitación. También se estudió la estabilidad térmica de los materiales y la pérdida de yodato en contacto con una solución. La pérdida del al calentar a 453 K fue muy significativa y también lo fue la pérdida de yodato en contacto con agua Milli-Q o salmuera. En la etapa actual de la investigación se pueden considerar a los HDLs como aptos para adsorber yoduro de una solución pero no son adecuados para un almacenamiento a largo plazo de yodo radiactivo. / 129I is considered to be a very hazardous radionuclide due to its long half-life, the low interaction that it presents with most geological materials and its biological relevance. The nuclear activity has generated around 5068 kg of 129I, present very diluted in liquid wastes from nuclear power plants. Mg-Al Layered double hydroxides (LDHs) with different ratios and interlayer anion have been studied as iodide adsorbent materials. Adsorption capacity was strongly affected by material textural properties, and the carbonate LDHs-derived mixed oxides with Mg/Al ratio of 3/1 showed the largest adsorption capacity, increased applying ultrasound. LDH of different compositions were studied as potential candidates for the immobilization of iodine (as iodate or iodide) using different incorporation methods: coprecipitation, anionic exchange and reconstruction. The reconstruction gives the highest iodate incorporation, ca. 54 % vs. ca. 40 % reached by coprecipitation. The thermal stability of the materials and the anionic release in contact with a solution was also studied. The iodine loss by heating at 453 K was very significative and the release of iodine in contact with Milli-Q water and brine solution. At the present stage of the research we may conclude, that LDHs can be considered as iodine scavengers for a short-term storage, but they are not suitable for a long-term storage of radioactive iodine.

Els polioxometalats (POMS) són agregats inorgànics compostos per oxigen i metalls de transició, normalment en el seu estat d'oxidació més alt. Aquest fet fa que una de les seves principals característiques sigui el seu gran caràcter oxidant. A més al contenir un alt nombre de metalls, aquests poden ser reduïts fàcilment, donant lloc a noves propietats no observades en els mateixos compostos sense reduir. Els nostres estudis s'han basat principalment en càlculs mecano-quàntics (teoria del funcional de la densitat, DFT en anglès). Molts estudis experimentals s'han realitzat durant les últimes dècades abastant el tema de les mono-reduccions, on aquests compostos guanyen un electró. En aquesta tesi s'ha volgut partir d'aquests resultats i hem ampliat l'estudi a les reduccions amb dos i tres electrons en diversos sistemes de composició i grandària diferent. Ens hem centrat bàsicament en l'estudi dels compostos anomenats Keggin (12 metalls) i Wells-Dawson (18 metalls). A més, compostos derivats d'aquests també han estat estudiats, en concret els mono-substituïts, on un dels metalls és substituït per un altre diferent. / Los polioxometalatos (POMs) son agregados inorgánicos compuestos por oxígeno y metales de transición, normalmente en su estado de oxidación más alto. Este hecho hace que una de sus principales características sea su gran carácter oxidante. Además al contener un alto número de metales, estos pueden ser reducidos fácilmente, dando lugar a nuevas propiedades no observadas en los mismos compuestos sin reducir. Nuestros estudios se han basado principalmente en cálculos mecano-cuánticos (teoría del funcional de la densidad, DFT en inglés). Muchos estudios experimentales se han realizado durante las últimas décadas abarcando el tema de las mono-reducciones, donde estos compuestos ganan un electrón. En esta tesis se ha querido partir de esos resultados y hemos ampliado el estudio a las reducciones con dos y tres electrones en varios sistemas de composición y tamaño distinto. Nos hemos centrado básicamente en el estudio de los compuestos denominados Keggin (12 metales) y Wells-Dawson (18 metales). Además, compuestos derivados de éstos también han sido estudiados, en concreto los mono-sustituidos, donde uno de los metales es sustituido por otro diferente. Nuestros mayores logros han sido reproducir las tendencias experimentales y explicar efectos que hasta el momento no se habían podido resolver. / The polyoxometallates (POMs) aggregates are inorganic compounds of transition metals and oxygen, usually in its highest oxidation state. This fact makes one of its main characteristics is its high oxidizing character. In addition to they contain a large number of metals, that can be easily reduced, resulting in new properties not observed in the same compounds without reducing. Our studies have been based mainly on quantum mechanical calculations (theory of density functional, DFT). Many experimental studies have been conducted over the past decades covering the issue of mono-reductions where these compounds gain an electron. In this thesis we have started from these results and we have extended the study to the reductions with two and three electrons in various systems of different size and composition. We focused mainly on the study of compounds called Keggin (12 metals) and Wells-Dawson (18 metals) polyoxoanions. Furthermore, derivatives of these compounds have also been studied, in particular the mono-substituted, wherein one of the metals is replaced by a different one.

This thesis is devoted to prove the concept of the CO(2) reduction to CH(4) with a decreasing in the voltage requirements using a photocatalytic mechanism. Subsequently, part of the solar energy is transferred to the reaction, obtaining an improvement in the total energy balance. The work developed intends first, to take advantage of the know features of the photoactive nanostructured materials obtained by anodization and hydrothermal synthesis (allowing to obtain better surface areas and improving the photon collection, light photosynthetic reactions). Second investigate the copper and copper oxide cathodes for the CO(2) electroreduction activity to CH(4) (dark photosynthetic reactions) using a complete cell to understand the parameters involved in the process and the products selectivity for each cathodes. And third the implementation of the photoanode and cathode in a photoelectrochemical complete cell. Respect the photoactive materials we are going to talk about TiO(2) based nanostructured materials for water splitting. The first TiO(2) nanostructuration under study are nanotubes obtained by anodization of a Titanium foil using organic electrolytes. The TiO(2) crystal phase obtained by this technique was anatase. The next step in this material was the surface modification to improve the efficiency. To obtain this improvement the anodization process was done using two electrolytes in different steps. As sequence a porous surface with an increment in the surface area was obtained. After, the photoelectrochemical measurements were done in 1 M of sodium hydroxide (NaOH) under AM 1.5G illumination source to observe the photoactivity of these samples. The second nanostructured materials under study were TiO(2) nanorods obtained by hydrothermal synthesis over a conductive glass substrate, Fluorine Tin Oxide (FTO). The nanorods using this technique have rutile structure. An optimization of two parameters involved in the hydrothermal synthesis was studied: (1) initial titanium precursor concentration and (2) increasing the chlorine concentration to obtain larger and thinner rods. To enhance the photoactivity of TiO(2) we try to incorporate other materials inside the structure. The materials selected were: tin which improves the charge carriers, vanadium which allows the absorption in the visible range and nitrogen doping to enhance the efficiency in the photoactivity of the material. Concerning to methane production study, a discussion about the electrochemical CO(2) reduction activity over a copper based electrode using a hydrogen carbonate as supporting electrolyte was done, where the positive ions used are sodium and potassium. The first electrode selected is a pristine copper due to the interest of the methane production. The samples were characterized by scanning electronic microscopy (SEM) and X-Ray diffraction (XRD) to visualize the surface morphology and the crystal structure of the electrode. Afterwards, the electrochemical process is studied to understand the activity of these electrodes. Chronopotentiostatic (CP) experiments were done at different current densities to observe the activity as a function of the reached potential. The second electrode under study was a copper oxide cathode. In the electrochemical experiments an effect was studied related to the electrochemical reduction of the different copper oxide layers generated during the thermal synthesis, leading to a catalytically active copper that enables carbon dioxide reduction. With this type of electrodes a time- dependence test was done to carefully study these crystallographic changes. Finally, another important variable for CO(2) conversion was studied, the humidification of the CO(2) gas stream before the introduction in the electrochemical cell with the impact on the faradaic efficiency of the process. In the implementation in the PEC cell an evaluation of the photoanode and cathode was done. In this evaluation, the external potential requirements were studied concerning about the energy consumption and the benefit from the photoactivated process. / Esta tesis se ha desarrollado con el objetivo de probar el concepto de la reducción del dióxido de carbono a metano, mediante una reducción de los potenciales necesarios usando un mecanismo fotocatalítico. Parte de la energía solar es transferida a la reacción obteniendo una mejora en el balance energético total. El trabajo desarrollado se focaliza primero en el estudio de materiales nanoestructurados fotoactivos basados en dióxido de titanio obtenidos por anodización, generando nanotubos, y por síntesis hidrotermal obteniendo nanohilos sobre un sustrato conductor transparente, los cuales permiten obtener mayores superficies activas mejorando la colección de fotones, similar a las reacciones luminosas en la fotosíntesis. En segundo lugar, se ha estudiado la electroreducción del dióxido de carbono a metano usando cátodos de cobre y oxido de cobre (similar a las reacciones oscuras de la fotosíntesis). Usando el cobre como cátodo, se ha observado la obtención de metano a diferentes densidades de corriente aplicadas para poder observar la productividad respecto al potencial medido. Para el caso de los cátodos de óxido de cobre, no se ha encontrado producción de metano pero si de etileno. En estos cátodos se ha observado un efecto proveniente de la reducción de las capas de los diferentes óxidos de cobre, generados en la síntesis térmica, hacia un cobre catalíticamente activo para la reacción de reducción del dióxido de carbono. Este efecto se ha estudiado profundamente mediante un estudio de los cambios cristalográficos y superficiales a determinados tiempos. Finalmente, se ha estudiado el efecto de la humidificación del dióxido de carbono (gas) previa a la entrada a la celda electroquímica. Como parte final se ha realizado una evaluación energética de los fotoánodos generados por síntesis hidrotermal y de los cátodos basados en cobre estudiados, para poder implementar ambos en una celda fotoelectroquímica completa. En esta parte se ha estudiado los valores de los potenciales externos necesarios para que se pueda dar la reacción, asumiendo un 100% de eficiencia hacia la producción de metano para los cátodos de cobre y de etileno para los de óxido de cobre.