Thesis (Ph. D.)--University of Hong Kong, 2006. / Title proper from title frame. Also available in printed format.

Neste trabalho foram preparados eletrodos de óxidos de composição nominal Ti/RuyTi(1-y-x)SnxO2 por decomposição térmica (400 °C) via três rotas diferentes: Método Tradicional empregando-se precursores inorgânicos dissolvidos em Isopropanol (MT/ISO) e em solução de HCl 1:1 (v/v) (MT/HCl) e, Método dos Precursores Poliméricos (MPP). Os recobrimentos de óxidos foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de Varredura, análises de Energia Dispersiva de raios X e Difração de Raios X. A caracterização eletroquímica dos eletrodos foi feita por estudos de potencial em circuito aberto, tempo de vida útil e voltametria cíclica na ausência e na presença do poluente selecionado como modelo, o 4-clorofenol. Eletrólises do 4-clorofenol e de seus principais subprodutos foram realizadas em uma célula de fluxo tipo filtro-prensa e monitoradas por análises de Cromatografia Líquida de Alta Eficiência, Carbono Orgânico Total e íons cloreto em solução, além de testes bacteriológicos de toxicidade. Os resultados mostram que o método de preparação influencia na morfologia e na composição dos eletrodos, mas não afeta o tamanho dos cristalitos. Apesar das características distintas, MT/ISO e MPP são adequados para o preparo desses eletrodos pois evitam perdas dos componentes e proporcionam recobrimentos de estabilidade eletroquímica bastante apropriada frente às condições drásticas de eletrólise, viabilizando assim a aplicação destes eletrodos na degradação de poluentes orgânicos. Além disso, todos os eletrodos investigados são muito promissores para a degradação eletroquímica de clorofenóis, pois apresentam excelente atividade para o consumo do 4-clorofenol. Independente da composição e do método de preparação do eletrodo, os subprodutos formados na eletrooxidação de 4-clorofenol são: hidroquinona, benzoquinona, cloro-hidroquinona e 4-clorocatecol, além dos ácidos oxálico, maleico, málico, succínico e malônico. Embora a mineralização completa do poluente não tenha sido atingida, a toxicidade das soluções após o término das eletrólises diminui consideravelmente, visto que tanto o composto orgânico de partida quanto os subprodutos aromáticos formados são degradados com excelente eficiência, sobretudo quando se utilizam ânodos preparados por MT/ISO. / In this work oxides electrodes of nominal composition Ti/RuyTi(1-y-x)SnxO2 were prepared by thermal decomposition (400 °C) by three different routes: Traditional Method using inorganic precursors dissolved in either Isopropanol (MT/ISO) or a solution of HCl 1:1 (v/v) (MT/HCl) and the Polymeric Precursors Method (MPP).Oxides coatings were characterized by Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive X ray analyses and X ray Diffraction. The electrochemical characterization of the electrodes was performed by studies of potential in open circuit, service lifetime, and cyclic voltammetry in the absence and in the presence of the model pollutant 4-chlorophenol. Electrolyses of 4-chlorophenol and its main by-products were accomplished in filter-press flow cell and monitored by High Performance Liquid Chromatography, Total Organic Carbon, and analyses of chloride ions in solution, besides bacteriological toxicity tests. Results show that the preparation method influences the morphology and composition of the electrodes, but it does not affect the crystallite size. In spite of their different characteristics, MT/ISO and MPP are appropriate methods for the preparation of these electrodes because they avoid the loss of components and provide electrochemically stable coatings before the drastic conditions of electrolysis. Therefore, these electrodes can be applied in the degradation of organic pollutants. Furthermore, all the investigated electrodes are very promising for the electrochemical degradation of chlorophenols, because they present excellent activity regarding the consumption of 4-chlorophenol. Independent of the composition and the preparation method of the electrode, the by-products formed in the electrooxidation of 4-chlorophenol are hydroquinone, benzoquinone, chlorohydroquinone, and 4-chlorocatechol, as well as oxalic, maleic, malic, succinic, and malonic acids. Although the complete mineralization of the pollutant has not been reached, the toxicity of the solutions decreases considerably after the end of the electrolyses. This is because both the initial organic compound and the aromatic by-products formed in the electrolyses are degraded with excellent efficiency, especially when the anodes prepared by MT/ISO are employed.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2004. / Supervisor: Jack C. Lee. Vita. Includes bibliographical references.

Orientador: Rodnei Bertazzoli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T08:13:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rocha_RobsondaSilva_D.pdf: 3278244 bytes, checksum: 2e1ca95b3150412fa8bd30a247646db7 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O etilenoglicol é um composto orgânico com vasta aplicação em diversos setores da indústria química. Embora as aplicações mais conhecidas sejam como líquido anti-congelante ou na composição de fluídos hidráulicos, o maior consumo deste composto está na fabricação de resinas poliéster saturadas e insaturadas, além de poliuretanos. A produção de etilenoglicol, ou etano-1,2-diol, é feita a partir da reação do óxido de etileno, ou 1,2-epoxietano, com água na presença de um catalisador, como ácido sulfúrico diluído, na temperatura de 60 ºC, porém a síntese do óxido de etileno demanda 300 ºC e 20 atm para a reação alcançar elevados níveis de rendimento. Neste trabalho propõe-se uma alternativa para a obtenção convencional do óxido de etileno, que, no eletrólito aquoso, forma-se etilenoglicol. O processo de oxidação do gás etileno utilizou-se eletrodos de difusão gasosa (EDG). O EDG foi produzido por pressão e sinterização dos óxido de titânio e rutênio. Os eletrodos foram caracterizados física e eletroquimicamente. Os eletrodos de difusão gasosa de Ti/Ru e Ti/Ru/V2O5 foram testados preliminarmente utilizando o metano como gás de trabalho e os resultados mostraram que o EDG de óxidos metálicos possui a propriedade de oxidar o metano formando metanol, formaldeído e ácido fórmico. Quando se utilizou o EDG com 20% óxido de vanádio, (TiO2)0,661(RuO2)0,283(V2O5)0,056, observou-se uma melhora na formação do metanol, com a formação de 340 mg L-1 do álcool em 1 hora de experimento. Foi observada também uma melhora de 75% e 38% para as eficiências química e elétrica, respectivamente. Foi observada uma diminuição do consumo de energia quando comparado com o EDG com TiO2/RuO2. Durante os experimentos de oxidação do etileno, o EDG de TiO2/RuO2 mostrou a formação de etilenoglicol e etanol, com 161 mg L-1 e 41 mg L-1 respectivamente. A formação do etilenoglicol sem óxido de vanádio alcançou 36% de eficiência química, 18% de eficiência elétrica e um consumo de 9 kWh kg-1 de etilenoglicol formado. Os experimentos que utilizaram os eletrodos com 20% de óxido de vanádio apresentaram os melhores resultados para a formação do etanol se comparado com os experimentos sem catalisador, alcançando 47 mg L-1 de etilenoglicol e 98 mg L-1 de etanol com 9% de eficiência química e 14% de eficiência elétrica, ambos para a reação de formação do etilenoglicol. A adição de 20% de óxido de prata apresentou uma melhora nos resultados de formação do etilenoglicol, se comparados com o EDG com óxido de vanádio. Os resultados mostraram que a formação do etilenoglicol alcançou 195 mg L-1 e o etanol alcançou 16 mg L-1, para a reação de formação do etilenoglicol, os valores de eficiência alcançaram 37% e 34% para eficiência química e para a eficiência elétrica, respectivamente. O oxido de paládio foi também estudado com catalisador. Com 20% de catalisador, os resultados mostraram a maior formação de etilenoglicol, alcançando 209 mg L-1 e apenas 12 mg L-1 de etanol. A adição do óxido de paládio também promoveu uma melhora nos valores de eficiência para a reação de formação do etilenoglicol, 42% de eficiência química e 37% de eficiência elétrica. Durante os experimentos a corrente constante, o eletrodo com oxido de paládio também apresentou um melhor rendimento nos experimentos para a geração de etilenoglicol e etanol, com melhor seletividade para etilenoglicol / Abstract: Ethyleneglycol is an organic compound with large application in various areas of the chemical industry. Although its most known applications are anti freezing liquid and hydraulic fluids, its major consumption is in the manufacture of saturated and unsaturated polyester resins and polymers. The ethylene glycol (ethane-1,2-diol) production is manufactured by the reaction of ethylene oxide (1,2 epoxyethane) with water in the presence of a catalyst, at temperature of 60 °C. Furthermore, ethylene oxide manufacturing is carried out at 300°C and 20 atm to reach high yields. In this work, an alternative method to the conventional synthesis of ethylene oxide/ethyleneglycol is proposed. Electro-oxidation of in aqueous medium is performed using gas diffusion electrodes (GDE). GDE were produced by pressing and sintering powder of titanium and ruthenium oxides, catalyzed by vanadium, palladium or silver, with PTFE. The electrodes were physically and electrochemically characterized. The gas diffusion electrodes of Ti/Ru and Ti/Ru/V2O5 were preliminarily tested using the methane as reactant and the results demonstrated that the GDE of metallic oxides have the property of to oxidize methane to methanol, formaldehyde and formic acid. When used the GDE with 20 % vanadium oxide, (TiO2)0,661(RuO2)0,283(V2O5)0,056, higher methanol generation rate was observed, with the formation of 340 mg L-1 of the alcohol in 1 hour of experiment. It was also observed an improvement of 75% and 38% in the chemical and electrical efficiencies, respectively. A decreasing in the energy consumption was also observed when compared to the performance of the GDE with TiO2/RuO2. During the experiments of ethylene oxidation the TiO2/RuO2 GDE showed a fair performance in the electrosynthesis of ethylene glycol and ethanol, with 161 mg L-1 and 41 mg L-1 respectively, in the experiments of one hour. The ethyleneglycol formation without catalyst reached 36% of chemical efficiency, 18% of electrical efficiency and an energy consumption of 9 kWh kg-1. The experiments that used the electrodes with 20% of vanadium oxide has showed best results to the ethanol formation when compared to the experiments without oxide vanadium. 47 mg L-1 of ethyleneglycol and 98 mg L-1 of ethanol concentrations were reached when vanadium oxide was incorporated to the electrode mass. Furthermore, 9% of chemical efficiency and 14% electrical efficiency in the ethyleneglycol formation reaction. The addition of 20% of silver oxide has showed a good improvement in the results of ethyleneglycol formation compared to the experiments carried out with the GDE catalyzed with vanadium oxide. The results have shown that the ethyleneglycol formation reached 195 mg L-1 and the ethanol, 16 mg L-1. Observed chemical efficiency and current efficiency were 37% and 34%, respectively. Palladium oxide was also tested as a catalyst. With 20% catalyst, a 209 mg L-1 and 12 mg L-1 of ethanol to ethanol her formation of ethyleneglycol, reaching. The addition of palladium oxide also promoted a higher efficiency to the reaction formation of ethyleneglycol, 42% of chemical efficiency and 37% electrical efficiency. During the experiments at constant current, electrode with palladium oxide also showed a best performance in the experiments for the generation of ethyleneglycol, with better selectivity for ethyleneglycol / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Rodnei Bertazzoli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-13T04:10:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_JulioFabbri_M.pdf: 1119936 bytes, checksum: b7d227501e1ed76eea7d67d4202c9f92 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Neste trabalho foi comparado o desempenho de diferentes tipos de eletrodos de óxidos térmicos, sendo eles o 70TiO2/30RuO2, 60Ta2O5/40IrO2 e b-PbO2 na eletro-oxidação do herbicida 2,4-diclorofenoxiacético. Como eletrodo auxiliar foi utilizado uma placa de platina, e os experimentos se seguiram em meio aquoso, pH 3,5, solução de sulfato de potássio como eletrólito suporte. Os ensaios foram realizados usando valores constantes de densidades de correntes, impostas por um potenciostato/galvanostato PGSTAT 20 da Autolab. A redução da concentração do herbicida foi acompanhada por cromatografia líquida de alta performance e o carbono orgânico total obtido pelo equipamento TOC-5000A da Shimadzu. Durante os experimentos, o eletrólito foi amostrado em intervalos de tempo regulares e injetados no cromatógrafo para o estabelecimento de perfis de decaimento com o tempo de experimento.O material de eletrodo que apresentou o melhor desempenho na redução da concentração do 2,4-D e maior taxa de redução do carbono orgânico total foi o b-PbO2, sendo aplicado uma densidade de 50 mA cm-2 O eletrodo que mostrou o processo mais lento de oxidação foi 60Ta2O5/40IrO2 e, por esta razão, apresentou o maior número de compostos intermediários ao mesmo tempo na solução. Os sub-produtos da oxidação identificados foram alguns cloro derivados estáveis, como o 2- clorobenzoquinona (2-CBQ), 2-clorohidroquinona (2-CHQ), 4,6-diclororesorcinol (4,6-DCR), 2,4-diclororesorcinol (2,4-DCR), 2,4-diclorofenol (2,4-DCF). Os experimentos mostraram que a taxa de remoção do 2,4-D e de seus derivados depende tanto do material do eletrodo, quanto do valor da densidade de corrente empregada na eletrólise / Abstract: In this work the performance of different types of thermal oxide electrodes, which were the 70TiO2/30RuO2, 60Ta2O5/40IrO2 and b-PbO2 in the electro-oxidation of the herbicide 2,4- dichlorophenoxyacetic. A plate of platinum was used as auxiliary electrode, and the experiments were followed in water, pH 3.5, solution of potassium sulfate as electrolyte support. The tests were performed using constant values of density of current, imposed by a potenciostat / galvanostatic PGSTAT 20 from Autolab. The reduction of the concentration of the herbicide was monitored by high performance liquid chromatography and total organic carbon obtained by the equipment of the Shimadzu TOC-5000A. During the experiments, the electrolyte was sampled at regular time intervals and injected into the chromatograph for the establishment of profiles of decay with time of experiment. The material of electrode that showed the best performance in educing the concentration of 2,4-D and greater rate of reduction of total organic carbon was the -PbO2, applied a density of 50 mA cm-2. The electrode that showed a slowest process of xidation was 60Ta2O5/40IrO2 and, therefore, had the largest number of compounds intermediaries at the same time in the solution. The sub-products of oxidation were identified some chlorine stable derivatives, as the 2-chlorbenzoquinone (2-CBQ), 2-chlorhidroquinone (2- CHQ), 4.6-dichlorresorcinol (4,6-DCR), 2.4-dichlorresorcinol (2,4-DCR), 2.4-dichlorphenol (2,4- DCF). The experiments showed that the rate of removal of 2,4-D and its derivatives depends on the material of electrode, as the value of the density of current used in electrolysis / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Neste trabalho foram preparados eletrodos de óxidos de composição nominal Ti/RuyTi(1-y-x)SnxO2 por decomposição térmica (400 °C) via três rotas diferentes: Método Tradicional empregando-se precursores inorgânicos dissolvidos em Isopropanol (MT/ISO) e em solução de HCl 1:1 (v/v) (MT/HCl) e, Método dos Precursores Poliméricos (MPP). Os recobrimentos de óxidos foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de Varredura, análises de Energia Dispersiva de raios X e Difração de Raios X. A caracterização eletroquímica dos eletrodos foi feita por estudos de potencial em circuito aberto, tempo de vida útil e voltametria cíclica na ausência e na presença do poluente selecionado como modelo, o 4-clorofenol. Eletrólises do 4-clorofenol e de seus principais subprodutos foram realizadas em uma célula de fluxo tipo filtro-prensa e monitoradas por análises de Cromatografia Líquida de Alta Eficiência, Carbono Orgânico Total e íons cloreto em solução, além de testes bacteriológicos de toxicidade. Os resultados mostram que o método de preparação influencia na morfologia e na composição dos eletrodos, mas não afeta o tamanho dos cristalitos. Apesar das características distintas, MT/ISO e MPP são adequados para o preparo desses eletrodos pois evitam perdas dos componentes e proporcionam recobrimentos de estabilidade eletroquímica bastante apropriada frente às condições drásticas de eletrólise, viabilizando assim a aplicação destes eletrodos na degradação de poluentes orgânicos. Além disso, todos os eletrodos investigados são muito promissores para a degradação eletroquímica de clorofenóis, pois apresentam excelente atividade para o consumo do 4-clorofenol. Independente da composição e do método de preparação do eletrodo, os subprodutos formados na eletrooxidação de 4-clorofenol são: hidroquinona, benzoquinona, cloro-hidroquinona e 4-clorocatecol, além dos ácidos oxálico, maleico, málico, succínico e malônico. Embora a mineralização completa do poluente não tenha sido atingida, a toxicidade das soluções após o término das eletrólises diminui consideravelmente, visto que tanto o composto orgânico de partida quanto os subprodutos aromáticos formados são degradados com excelente eficiência, sobretudo quando se utilizam ânodos preparados por MT/ISO. / In this work oxides electrodes of nominal composition Ti/RuyTi(1-y-x)SnxO2 were prepared by thermal decomposition (400 °C) by three different routes: Traditional Method using inorganic precursors dissolved in either Isopropanol (MT/ISO) or a solution of HCl 1:1 (v/v) (MT/HCl) and the Polymeric Precursors Method (MPP).Oxides coatings were characterized by Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive X ray analyses and X ray Diffraction. The electrochemical characterization of the electrodes was performed by studies of potential in open circuit, service lifetime, and cyclic voltammetry in the absence and in the presence of the model pollutant 4-chlorophenol. Electrolyses of 4-chlorophenol and its main by-products were accomplished in filter-press flow cell and monitored by High Performance Liquid Chromatography, Total Organic Carbon, and analyses of chloride ions in solution, besides bacteriological toxicity tests. Results show that the preparation method influences the morphology and composition of the electrodes, but it does not affect the crystallite size. In spite of their different characteristics, MT/ISO and MPP are appropriate methods for the preparation of these electrodes because they avoid the loss of components and provide electrochemically stable coatings before the drastic conditions of electrolysis. Therefore, these electrodes can be applied in the degradation of organic pollutants. Furthermore, all the investigated electrodes are very promising for the electrochemical degradation of chlorophenols, because they present excellent activity regarding the consumption of 4-chlorophenol. Independent of the composition and the preparation method of the electrode, the by-products formed in the electrooxidation of 4-chlorophenol are hydroquinone, benzoquinone, chlorohydroquinone, and 4-chlorocatechol, as well as oxalic, maleic, malic, succinic, and malonic acids. Although the complete mineralization of the pollutant has not been reached, the toxicity of the solutions decreases considerably after the end of the electrolyses. This is because both the initial organic compound and the aromatic by-products formed in the electrolyses are degraded with excellent efficiency, especially when the anodes prepared by MT/ISO are employed.

Orientador: Rodnei Bertazzoli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T18:47:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_JulioFabbri_D.pdf: 3150048 bytes, checksum: a6e8c86adf90e906935345fabd317f0c (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um novo eletrodo de PbO2 eletrodepositado em titânio com uma pré camada de chumbo. As melhores condições para a obtenção da camada ativa e da pré camada foram exploradas em diferentes densidades de corrente, o tempo de cada processo foi alterado de maneira que a mesma carga fosse transferida. A solução utilizada na eletrodeposição foi 1 mol.L-1 Pb(NO3)2, acidificada com HNO3 até pH 1, na temperatura de 65 °C. A mesma solução foi utilizada para a deposição da pré camada de chumbo com uma corrente catódica e a deposição do revestimento de PbO2 com uma corrente anódica. As melhores condições de preparação foram obtidas à - 15 mA.cm-2 por 600 segundos, seguida por 30 mA.cm-2 por 1800 segundos. Com esses parâmetros o eletrodo apresentou um melhor desempenho no teste acelerado de tempo de serviço, principalmente quando comparado a um eletrodo onde a camada de PbO2 é eletrodepositada diretamente em titânio. Em comparação a um eletrodo com uma intercamada de platina, o sistema composto de Ti/Pb/PbO2 não apresentou diferenças significativas quanto aos valores das capacitâncias totais, 77 mF.cm-2 e 55 mF.cm-2 respectivamente. Além disso, o sistema sem Pt apresentou um melhor desempenho na degradação de uma solução contendo o corante preto remazol, uma característica atribuída à maior rugosidade ou "porosidade eletroquímica (?= 0,71)". A área ativa do eletrodo apresentou ser 3,5 vezes maior que sua área geométrica, uma grande vantagem para processos de eletroxidação de compostos orgânicos. O desempenho do sistema Ti/Pb/PbO2 foi melhor quando comparado ao eletrodo comercial de Ti/TiO2(0,7)/RuO2(0,3) (ADE) fornecido pela DeNora do Brasil na degradação de uma solução composta por um fármaco comercial com o princípio ativo amoxicilina. O decaimento da concentração do composto orgânico foi 2 vezes mais rápido em um densidade de corrente 3 vezes menor. O reator eletroquímico em fluxo de placas paralelas e auto bombeável foi projetado e montado com um anodo de Ti/Pb/PbO2 com 75 cm2. Soluções de glicerol e amoxicilina foram eletro degradadas nessa etapa do estudo. O decaimento do carbono orgânico total foi acompanhado, realizada a análise cinética obteve se constantes de velocidade para uma reação de primeira ordem. As constantes cinéticas obtidas nesses experimentos estão de acordo com os valores esperados, com uma ordem de grandeza de 10-6 m.s-1. As figuras de mérito em transferência de massa também foram obtidas por correlações de números adimensionais de Reynolds, Sherwood e Schimidt. O reator de placas paralelas e auto bombeável se apresentou como uma alternativa de configuração para reatores eletroquímicos / Abstract: We have developed a new PbO2 electrode by electrodeposition on titanium with a lead interlayer. Different current densities were used for obtaining the active layer and the lead interlayer, although the same charge was transferred by selecting the appropriate time interval. The solution used for electrodeposition was 1 mol l-1 Pb(NO3)2, acidified to pH 1 with HNO3 at 65 °C. The same solution was used for the deposition of the lead interlayer with a cathodic current and the deposition of the PbO2 coating with a anodic current. Best preparation conditions were obtained at - 15 mA.cm-2 for 600 seconds, followed by 30 mA.cm-2 for 1800 seconds. With these parameters the electrode showed better performance on an accelerated service life test, especially when compared to an electrode where the PbO2 layer was electroplated directly on titanium. Compared to the electrode with a platinum interlayer, the system Ti/Pb/PbO2 showed no significant differences in the values of total capacitance, 77 mF.cm -2 and 55 mF.cm-2 respectively. Furthermore, the system without Pt showed better performance in the degradation of a solution containing the dye Remazol black, a feature attributed to the higher roughness or "electrochemical porosity" (? = 0.71). The active surface area of the Ti/Pb/PbO2 electrode was 3,5 times greater than its geometric area, a great advantage for electrooxidation processes of organic compounds. The performance of the system Ti/Pb/PbO2 was better when compared to a commercial DSA type Ti/TiO2(0.7)/RuO2(0.3) supplied by DeNora of Brazil in the degradation of a solution containing amoxicillin. Concentration decay of the organic compound was 2 times faster at a current density 3 times smaller. A self pumped parallel plates flow electrochemical reactor was designed and mounted with a 75 cm2 Ti/Pb/PbO2 anode. Glycerol and amoxicillin solutions were electro-degraded in this experimental set up. Concentration decay of total organic carbon were followed and a kinetic analysis were performed which resulted in the calculation of first order rate constants. Kinetic constants obtained in these experiments are in agreement with the expected values with an order of magnitude of 10-6 m.s-1. Mass transfer figures of merit were also obtained by correlation of dimensionless numbers of Reynolds, Sherwood and Schimidt. The self pumped parallel plate reactor appears as an alternative configuration for flow electrochemical reactors / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Les cellules solaires en couches minces permettent de produire de l'énergie à bas-coût et sans émission de gaz à effet de serre. Dans le but de réaliser des dispositifs toujours plus performants, nous étudions l'impact de l'intégration de nanostructures métalliques (NSs) au sein de cellules solaires organiques (CSO). Ces NSs peuvent alors générer des effets diffusifs et des résonances issues de plasmons de surface. A l'aide d'un modèle numérique FDTD, nous démontrons que l'ingénierie plasmonique peut servir à augmenter l'absorption dans le matériau photoactif tout en limitant l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les NSs. L'influence de paramètres opto-géométriques de structures associant matériaux organiques et effets plasmoniques est étudiée (diamètre, position des particules dans la couche et période du réseau de particules sphériques). Expérimentalement, des NSs d'argent ont été réalisées par évaporation sous vide puis intégrées dans des couches organiques. Nous avons mesuré une exaltation de l'absorption optique dans la gamme spectrale utile à la photo-conversion. Trois architectures différentes de CSO plasmonique ont été fabriquées et caractérisées par MEB, TEM et ToF-SIMS, puis modélisées, permettant d'identifier des verrous technologiques et de proposer des pistes d'amélioration. Nous avons aussi intégré des NSs au sein d'un empilement transparent et conducteur de type oxyde/métal/oxyde, dans le but de remplacer l'électrode classique en oxyde d'indium et d'étain d'une CSO. Le rôle de chaque couche de l'empilement sur le comportement optique de l'électrode est discuté. Les épaisseurs des couches d'une électrode de type ZnO/Ag/ZnO ont été optimisées. / Thin-film solar cells are able to produce low-cost energy without greenhouse gas emissions. In order to increase devices performance, we investigate the impact of metallic nanostructures (NSs) integrated in organic solar cells (OSC). These NSs can generate scattering effects and surface plasmon resonances. Using FDTD modeling, we demonstrate that plasmon engineering can be used to increase light absorption in a photoactive material while minimizing the energy lost as heat in the NSs. The influence of opto-geometrical parameters of plasmonic structures in organic material is investigated (diameter, position of particles in the layer and period of spherical particles array). Experimentally, silver NSs are deposited by evaporation and incorporated into an organic layer. We measured an optical absorption enhancement in the spectral range useful for photo-conversion. Three different architectures of plasmonic OSC are fabricated and characterized by SEM, TEM and ToF-SIMS, then modeled, allowing us to identify some technological obstacles and to propose possible improvements. We also integrated NSs inside a transparent and conductive multilayer stack composed of oxide/metal/oxide, in the aim of replacing the traditional indium tin oxide electrode of a OSC. The role of each layer of the stack on the electrode optical behavior is discussed. Layers thicknesses of a ZnO/Ag/ZnO electrode were optimized.

This dissertation has focused on i) optimizing charge transfer rates at indium-tinoxide (ITO) electrodes, and ii) characterization of the supramolecular structure and properties of ultra thin surface modifier films on modified electrodes for various device applications. Commercial ITO surfaces were modified using conducting polymer thin film architectures with and without various chemical activation procedures. Ferrocene derivatives were used as redox probes, which showed dramatic changes in electron transfer rate as the SA-PANI/PAA layers were added to the ITO surface. Highest rates of electron transfer were observed for DMFc, whose oxidation potential coincides with the potential region where these SA-PANI/PAA films reach their optimal electroactivity. Apparent heterogeneous electron transfer rate constants, kS, measured voltammetrically, were ca.10 x higher for SA-PANI/PAA films on ITO, versus clean ITO substrates. These films also showed linear potentiometric responses with retention of the ITO transparency with the capability to create smoothest films using an aqueous deposition protocol, which proved important in other applications. ITO electrodes were also modified via chemisorption of carboxy functionalized EDOTCA and electropolymerization of PEDOTCA/PEDOT copolymers, when properly optimized for thickness and structure, enhance voltammetrically determined electron transfer rates (kS) to solution probe molecules, such as dimethylferrocene (DMFc). Values of kS ≥ 0.4 cm•sec⁻¹, were determined, approaching rates seen on clean gold surfaces. ITO activation combined with formation of these co-polymer films has the effect of enhancing the electroactive fraction of electrode surface, versus a non-activated, unmodified ITO electrode, which acts as a “blocked” electrode. The electroactivity and spectroelectrochemistry of these films helped to resolve the electron transfer rate mechanism and enabled the construction of models in combination with AFM, XPS, UPS and RAIRS studies. The surface topography, structure, composition, work function and contact angle, also revealed other desirable properties for molecular electronic devices. The carboxylic functionality of the EDOTCA molecule adds more desirable properties compared to normal PEDOT films, such as favoring the deposition of smooth films, increasing the optical contrast, participating in hydrogen-bonding, chemisorption to oxide surface, self-doping and providing a linker for incorporation of different functional groups, new molecules, or nanoparticles. Periodic sub-micron electrode arrays can be created using micro-contact printing and electropolymerization. The sinusoidal modulation of the refractive index of such confined conducting polymer nanostructures or nanoparticle stripes allows efficient visible light diffraction. The modulation of the diffraction efficiency at PANI and PEDOT gratings in the presence of an analytical stimulus such as pH or potential demonstrate the sensing capability at these surfaces. The template stripped gold surfaces that are being developed in our lab demonstrate several advantages over commercially available evaporated gold films especially for nanoscale surface modification.

In dieser Dissertation wurde untersucht, inwieweit die Kombination von Mikrofluidik mit elektrophoretischer Formgebung zur additiven Herstellung von Keramikbauteilen genutzt werden kann. Mit Verfahren der Mikrofluidik sollten räumliche Strukturierung und Materialdifferenzierung erfolgen, während die elektrophoretische Abscheidung für die Ausbildung einer homogenen Mikrostruktur sorgt. Es wurde eine Versuchsanlage aufgebaut, die eine kontrollierte elektrophoretische Abscheidung von Keramikpartikeln, die durch eine Hohlelektrode zugeführt werden, auf porösen Membranen ermöglicht. Die Anlage bietet – im Unterschied zu bereits beschriebenen Verfahren – das Potenzial für eine hochgradige Parallelisierung und Multimaterialdruck. Schließlich wurden Finite-Elemente-Modelle zur Feldverteilung und zur Partikelbewegung entwickelt, mit denen die experimentellen Ergebnisse verglichen wurden. Bei den Versuchen traten viele in ihrem Ausmaß nicht erwartete Phänomene auf: elektrohydrodynamische Effekte und nichtelektrisch verursachte Strömungen des Lösungsmittels, die die Ausbeute und Reproduzierbarkeit sowie die Eigenschaften der abgeschiedenen Strukturen verschlechterten, was zusätzlichen Untersuchungen notwendig machte. In Ethanol wurden relevante Abscheideparameter systematisch variiert und die Struktur und das Gefüge der abgeschiedenen Al2O3-Partikel methodisch analysiert. Die Arbeit war Teil eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sachbeihilfe-Projekts (KU 1327/10-1 | RA 614/7-1).:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 7 2 Stand der Forschung 8 2.1 Stand der Forschung additive Fertigung keramischer Bauteile 8 2.1.1 Feedstockbasierte additive Fertigungsverfahren 9 2.1.2 Pulverbasierte additive Fertigungsverfahren: 10 2.1.3 Schlickerbasierte additive Fertigungsverfahren 11 2.2 Stand der Forschung elektrophoretische Abscheidung 12 2.3 Stand der Forschung Dielektrophorese 15 2.4 Stand der Forschung EHD-Effekt 16 3 Methodisches Vorgehen 19 3.1 Allgemeiner Aufbau 19 3.2 Elektroden 22 3.3 Lösungsmittel 24 3.4 Abscheidemembranen 25 3.5 Partikel und Suspensionen 27 3.6 Durchführung der Depositionsexperimente 30 3.7 Analyse der abgeschiedenen Strukturen 32 3.7.1 Konfokale 3D Laserscanningmikroskopie (CLSM) 32 3.7.2 Dynamische Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC/TGA) 33 3.7.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Varianzanalyse 33 4 Computersimulationen 35 5 Experimentelle Ergebnisse 41 5.1 Untersuchung des EHD-Effekts 41 5.2 Abscheidung mit verschiedenen Lösungsmitteln und Partikeln 45 5.3 Abscheidung von PEI-Aluminiumoxidpartikeln in Ethanol 51 5.4 DSC-TGA einer bedruckten Membran 60 5.5 Varianzanalyse der Gefügehomogenität elektrophoretisch abgeschiedener Proben 63 6 Zusammenfassung und Ausblick 66 7 Quellenverzeichnis 69 8 Formelverzeichnis 78 9 Tabellenverzeichnis 78 10 Abbildungsverzeichnis 79 11 Anhang 83 / In this dissertation it was examined to what extent the combination of microfluidics with electrophoretic shaping can be used for the additive manufacturing of ceramic components. The spatial structuring and material differentiation should take place using microfluidic methods, while the electrophoretic deposition ensures the formation of a homogeneous microstructure. A test facility was set up that enables controlled electrophoretic deposition of ceramic particles, which are fed through a hollow electrode, onto porous membranes. In contrast to known processes, the system offers the potential for high-quality parallelization and multi-material printing. Finally, finite element models for field distribution and particle movement were developed, with which the experimental results were compared. During the experiments, many phenomena that were not expected occurred: electrohydrodynamic effects and non-electrically induced solvent flows, which reduced the yield and reproducibility as well as the properties of the deposited structures, that made additional studies necessary. We systematically varied relevant deposition parameters in the solvent ethanol and the microstructure of the deposited Al2O3 particles was methodically analyzed. The work was part of a research grant project funded by the German Research Foundation (KU 1327 / 10-1 | RA 614 / 7-1).:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 7 2 Stand der Forschung 8 2.1 Stand der Forschung additive Fertigung keramischer Bauteile 8 2.1.1 Feedstockbasierte additive Fertigungsverfahren 9 2.1.2 Pulverbasierte additive Fertigungsverfahren: 10 2.1.3 Schlickerbasierte additive Fertigungsverfahren 11 2.2 Stand der Forschung elektrophoretische Abscheidung 12 2.3 Stand der Forschung Dielektrophorese 15 2.4 Stand der Forschung EHD-Effekt 16 3 Methodisches Vorgehen 19 3.1 Allgemeiner Aufbau 19 3.2 Elektroden 22 3.3 Lösungsmittel 24 3.4 Abscheidemembranen 25 3.5 Partikel und Suspensionen 27 3.6 Durchführung der Depositionsexperimente 30 3.7 Analyse der abgeschiedenen Strukturen 32 3.7.1 Konfokale 3D Laserscanningmikroskopie (CLSM) 32 3.7.2 Dynamische Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC/TGA) 33 3.7.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Varianzanalyse 33 4 Computersimulationen 35 5 Experimentelle Ergebnisse 41 5.1 Untersuchung des EHD-Effekts 41 5.2 Abscheidung mit verschiedenen Lösungsmitteln und Partikeln 45 5.3 Abscheidung von PEI-Aluminiumoxidpartikeln in Ethanol 51 5.4 DSC-TGA einer bedruckten Membran 60 5.5 Varianzanalyse der Gefügehomogenität elektrophoretisch abgeschiedener Proben 63 6 Zusammenfassung und Ausblick 66 7 Quellenverzeichnis 69 8 Formelverzeichnis 78 9 Tabellenverzeichnis 78 10 Abbildungsverzeichnis 79 11 Anhang 83