Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de diferentes métodos electroquímicos y químicos para la funcionalización de materiales de carbono nanoestructurados, obteniendo materiales electródicos funcionales para aplicaciones bioelectroquímicas. En este sentido, las propiedades en superficie influyen directamente en la interacción entre el elemento bioreceptor o biocatalizador con el electrodo. Por tal motivo, se puede mejorar la cinética de transferencia de electrones, la inmovilización, orientación y distribución del bioelemento en el electrodo, mejorando el rendimiento del dispositivo bioelectroquímico, a partir de la química superficial del material empleado. El uso de diferentes funcionalidades de nitrógeno y fósforo generados electroquímicamente sobre los materiales de carbono nanoestructurados proporciona una plataforma para la síntesis controlada, para mejorar la actividad catalítica de biocatalizadores. Además, el proceso electroquímico de funcionalización ha demostrado ser una ruta interesante para preparar bioelectrodos en un solo paso, con bajo consumo de elementos enzimáticos y un rendimiento sobresaliente a los métodos convencionales actuales. Por otro lado, el uso de materiales de carbono dopados en N cuaternarios como elemento transductor en la síntesis de un biosensor enzimático de glucosa libre de metales proporciona, en condiciones aeróbicas, un biosensor de alta sensibilidad para la detección de glucosa en orina y bebidas azucaradas comerciales, con bajo efecto de los interferentes y alta estabilidad. Finalmente, la modificación de los nanotubos de carbono con nanopartículas de oro proporciona un material de electrodo transductor escalable y estable en el que tiene lugar la inmovilización de anticuerpos a través de interacciones Au-8. La formación de antígeno-anticuerpo complejo provoca efectos estéricos que producen un impedimento para la transferencia de electrones proveniente de una sonda redox activa hacia la superficie del electrodo, lo que facilita la detección del analito.

Esta Tesis Doctoral se ha centrado en la síntesis electroquímica de polímeros conductores basados en polianilina modificada con ácido 2-aminotereftálico y piperazina. Los polímeros sintetizados se han estudiado en la oxidación electroquímica de dopamina y ácido ascórbico y su posible aplicación como sensores electroquímicos a pH fisiológico. Además, se ha estudiado la síntesis química de hidrogeles de los copolímeros desarrollados, se han caracterizado con diferentes técnias y se ha estudiado su aplicación como electrodos en supercondensadores.

Los materiales llamados semiconductores (muchos de ellos óxidos metálicos) son capaces de generar portadores de carga (huecos y electrones) cuando se iluminan con luz suficientemente energética. Estos portadores son capaces de sostener reacciones redox. Los electrones de la banda de conducción (BC) y los huecos de la banda de valencia (BV) pueden reducir y oxidar, respectivamente, especies que estén en contacto directo con el semiconductor. Además, los electrones y huecos fotogenerados pueden eliminarse en el proceso que se conoce como recombinación. El grado en que se producen estas reacciones redox depende de la eficiencia en la separación de las cargas fotogeneradas. Una separación de los portadores efectiva da lugar a aplicaciones. En esta tesis se abordan detalladamente los procesos de foto(electro)cromismo y foto(electro)catálisis. La separación de los portadores de carga en un material puede verse favorecida por: - La creación de heterouniones entre dos semiconductores (óxidos) distintos. - El diseño adecuado de la nanoestructura de los óxidos: estructuras ordenadas y/o estructuras con mucha superficie interfacial. - La modificación de la superficie o del seno de los óxidos semiconductores (dopado). En las aplicaciones prácticas se pretende que haya una transferencia de carga capaz de impulsar el proceso de interés. Por lo tanto, el control de los procesos de transferencia de carga del semiconductor a través de sus interfases es fundamental en el diseño de materiales para una determinada aplicación. Teniendo todo esto en cuenta, los objetivos establecidos para esta tesis han sido: I. Preparar estructuras ordenadas de nanobarras de α-Fe2O3 (hematita) sobre vidrio conductor e investigar sus propiedades catalíticas para fotooxidar agua. Optimizar el proceso de fotooxidación del agua sobre electrodos de hematita aplicando un pretratamiento electroquímico. Estudiar el efecto del pretratamiento sobre la composición, morfología y estructura electrónica de la hematita. II. Modificar los electrodos de hematita con Ti de dos maneras distintas, una que afecte principalmente a todo el material y otra que afecte a la superficie de la hematita, con el fin de mejorar sus propiedades catalíticas para fotooxidar agua. Aplicar y estudiar el pretratamiento reductivo para los electrodos de hematita tras ser modificados con Ti. III. Modificar la superficie de las nanobarras de hematita con trimetilaluminio (TMA) mediante depósito de capa atómica (Atomic layer deposition - ALD) desde fase gas o por adsorción en fase líquida, con el fin de mejorar sus propiedades fotoelectroquímicas para oxidar agua. Investigar los cambios en las propiedades electrónicas y electroquímicas de los electrodos de hematita tras ser modificados. IV. Preparar electrodos nanoporosos de Ni(OH)2 sobre vidrio conductor (SnO2:F - FTO) e investigar sus propiedades catalíticas para oxidar agua en medio alcalino en función de la cantidad depositada y de la morfología del hidróxido. V. Preparar electrodos nanoporosos basados en capas mixtas TiO2/Ni(OH)2 sobre vidrio conductor e investigar la separación de carga en los mismos con el fin de estudiar su posible utilización en dispositivos fotoelectrocrómicos. Estudiar las cinéticas de los procesos de la coloración y decoloración a través de medidas (foto)(espectro)electroquímicas. Las siguientes cinco conclusiones generales resumen los resultados más importantes en relación con los cinco objetivos previamente mencionados. I. En este estudio se ha conseguido sintetizar barras de hematita nanoestructuradas y con orientación (110) depositadas sobre vidrio conductor a través de un método de baño químico. Estas capas se han utilizado para estudiar el proceso de fotoxidación del agua. Para mejorar las propiedades fotocatalíticas de estas capas se ha empleado un pretratamiento electroquímico simple y altamente controlable que consiste en la aplicación de potenciales negativos por un tiempo muy corto (en el rango de segundos). Este pretratamiento da lugar a una mejora de la fotocorriente de hasta ocho veces asociada a la oxidación del agua, junto con un desplazamiento negativo de 20 mV del potencial de inicio de la fotocorriente. Este pretratamiento también induce cambios en la morfología de los electrodos, capacidad electrocatalítica y en su estructura electrónica. Por lo tanto, el dopado electroquímico no puede considerarse simplemente como un dopado tipo-n capaz de aumentar la fotoactividad de las capas debido a una mejora en el transporte de electrones. En realidad, los resultados obtenidos muestran claramente que se producen cambios mucho más profundos en la estructura electrónica y la composición de las capas que mejoran significativamente las propiedades tanto electro- como foto-electrocatalíticas. De hecho, ambas propiedades siguen una tendencia general similar con el potencial del pretratamiento empleado. Dentro de un marco más general, el pretratamiento reductivo puede ser utilizado también para la mejora de estructuras de hematita previamente modificadas o dopadas. Desde una perspectiva práctica, el dopaje electroquímico tiene la limitación de no ser permanente, lo que significa que debe aplicarse periódicamente. Esto no es un inconveniente serio en un dispositivo práctico, siempre y cuando la mejora inducida por el pretratamiento compense claramente esta limitación. II. Se han diseñado dos estrategias de modificación de hematita económicas utilizando una disolución con un mismo precursor de Ti. En un procedimiento el Ti se introduce en la estructura de hematita, mientras que en la otra, se forma una capa de TiO2 ultra-delgada que cubre por completo la superficie de hematita. Ambas modificaciones inducen un aumento significativo en la fotocorriente para la oxidación de agua (4 - 6 veces). La razón principal de la mejora en las capas modificadas con Ti es la disminución significativa del proceso de recombinación. El freno de la recombinación en las muestras modificadas con una sobre-capa de TiO2 se atribuye principalmente al bloqueo de estados superficiales, mientras que en el caso de las muestras modificadas con Ti intercalado en la estructura se relaciona principalmente con el aumento del área interfacial junto con un aumento de la conductividad electrónica. III. Se han preparado electrodos basados en nanobarras de hematita modificadas con TMA empleando una estrategia simple de impregnación a partir de una disolución de hexano. Los resultados se han comparado con los obtenidos modificando los electrodos de hematita con TMA por ALD. Los electrodos modificados muestran una importante mejora, aumentando tres veces la fotocorriente de oxidación de agua. Por un lado, el TMA bloquea los estados superficiales de hematita y por otro, induce un enriquecimiento electrónico. Tal conclusión fue confirmada cualitativamente en el caso de muestras modificadas con TMA utilizando la técnica de ALD. A pesar de que la modificación en fase líquida ha dado una foto-actividad menor en términos de la magnitud de la fotocorriente que la de ALD, representa una alternativa mucho más económica. Además, el método de impregnación a partir de una disolución es industrialmente escalable. Dentro de un marco más general, la modificación con TMA es potencialmente aplicable a otros semiconductores tipo n. Por lo tanto, podría constituir una estrategia relevante para mejorar la eficiencia de la fotooxidación de agua utilizando otros materiales tales como TiO2, BiVO4, WO3, entre otros. IV. Este estudio muestra que, a través de un procedimiento simple y potencialmente escalable como el baño químico, se pueden producir capas nanoestructuradas ultra-finas de Ni(OH)2 sobre FTO. Estas películas se caracterizan por una gran actividad electrocatalítica. Son capaces de oxidar el agua desarrollando corrientes iguales o superiores a las de películas mucho más gruesas. Esto último está relacionado con el hecho de que la reacción de generación de oxígeno depende de la formación de níquel (IV) que puede verse limitada por la baja conductividad eléctrica de Ni(OH)2. Por tanto, el proceso se favorece en capas finas donde la distancia al substrato conductor es menor. Esta noción es muy importante de cara a su aplicación. No solo se minimiza la cantidad de Ni(OH)2 necesaria sino se producen también ánodos altamente eficientes transparentes y prácticamente incoloros. V. Este trabajo ha mostrado que una capa nanoporosa mixta y delgada de TiO2/Ni(OH)2 depositada sobre vidrio conductor y sometida a un potencial catódico constante puede colorearse al ser iluminada con luz ultravioleta, mientras que se decolora completamente cuando se interrumpe la iluminación. Este fenómeno se ha denominado “fotoelectrocromismo reversible potenciostatico”. El valor del potencial empleado permite seleccionar tanto el contraste en la coloración como la cinética de la decoloración. Este fenómeno es posible debido a la existencia de un área interfacial extendida de contacto TiO2/Ni(OH)2 debido a la estructura nanoporosa que permite un contacto íntimo entre ambos componentes. Desde un punto de vista práctico, estos resultados podrían facilitar el desarrollo de ventanas inteligentes con una nueva funcionalidad porque, además del convencional efecto electrocrómico, trabajarían en un segundo modo, en el que, la coloración respondería a la intensidad de la luz incidente (a un potencial constante).

La presente tesis doctoral ha sido desarrollada en el departamento de Química Física de la Universidad de Alicante y pretende profundizar en la síntesis de materiales semiconductores y de co-catalizadores, y en el estudio de sus aplicaciones en procedimientos fotoelectroquímicos conducentes a dispositivos que realicen la fotosíntesis artificial. En concreto, se pretende diseñar fotoelectrodos que permitan la fotodisociación del agua prestando una atención particular al uso de determinados co-catalizadores que funcionen sobre la superficie de dichos fotoelectrodos y que incrementen la velocidad de los procesos redox de generación de hidrógeno y de oxígeno. La radiación solar aporta a nuestro planeta unos 120000 TW de energía cada año, una cantidad que es superior al consumo tecnológico realizado por el hombre en cuatro órdenes de magnitud. Por tanto, y debido a la creciente demanda de energía a nivel mundial, resulta interesante la idea de intentar abordar la problemática energética actual desde el punto de vista de la conversión y acumulación fotoquímicas de energía solar. Esta estrategia permitiría solucionar, además, los graves problemas medioambientales causados por el consumo de combustibles fósiles, que continúan siendo la fuente mayoritaria de energía en la actualidad. En este contexto, el hidrógeno supone una de las alternativas a los combustibles fósiles más prometedoras y sostenibles. De hecho, como combustible, el hidrógeno destaca por su alta densidad energética y porque su combustión no libera compuestos de carbono perjudiciales para el medio ambiente. En un escenario en el que los métodos tradicionales para obtener hidrógeno puro se enfrentan a grandes desafíos, el agua se presenta como una fuente ideal de dicho gas, abundante y libre de los dañinos gases de efecto invernadero que de otra forma surgen como subproductos. La fotoelectrólisis del agua sobre electrodos semiconductores, que consiste en dividir dicha molécula en sus componentes (oxígeno e hidrógeno) requiere la aplicación de electricidad desde una fuente externa y el uso de electrocatalizadores adecuados para romper los enlaces químicos. El primer estudio sobre este tema fue publicado por Fujishima y Honda en el año 1972, quienes describieron una célula fotoelectroquímica para la disociación del agua en oxígeno e hidrógeno constituida por un fotoánodo de dióxido de titanio y un contraelectrodo de platino. Sin embargo, todavía no se ha conseguido desarrollar un sistema fotoelectroquímico de estas características que ofrezca eficiencias y estabilidad realmente competitivas. La elección y desarrollo de materiales electródicos fotoactivos (fotoánodo y fotocátodo) es una de las variables que condicionan de manera determinante ambos factores. Entre las características principales que deben cumplir los materiales semiconductores para actuar como fotoánodos o fotocátodos destacan las siguientes: (i) transporte eficiente de carga eléctrica, (ii) posición favorable de las bandas de valencia y conducción para inducir las reacciones de reducción y oxidación del agua, (iii) buena absorción de la luz visible (lo que implica un valor de anchura de banda prohibida de entre 1.9 y 3.1 eV), (iv) elevada estabilidad química tanto en medio acuoso como bajo condiciones de iluminación, con el fin de asegurar una larga vida útil de los dispositivos, y (v) bajo coste económico. Aunque los óxidos semiconductores son los materiales más prometedores dentro de este ámbito, todavía no se ha identificado ningún material semiconductor que cumpla con todos estos requisitos con el que se pueda llevar a cabo la fotodisociación del agua de manera eficiente: muchos tienen una anchura de banda prohibida demasiado grande o muy pequeña o son inestables en medios acuosos. Entre las diferentes estrategias encaminadas a conseguir aumentar la eficiencia de los procesos de generación de oxígeno y de hidrógeno sobre electrodos semiconductores, destaca su modificación superficial con partículas de electrocatalizador (conocidas como co-catalizadores) que sirvan para mejorar la transferencia de portadores de carga fotogenerados y limitar su recombinación, y disminuir los sobrepotenciales para las reacciones de generación de oxígeno e hidrógeno. De hecho, para facilitar una reacción eficaz, dichos co-catalizadores deben poseer una alta durabilidad, una elevada actividad catalítica y una gran área superficial. El platino es muy eficiente para la electrocatálisis, pero su elevadísimo precio (superior a los 30.000 dólares por kilogramo) y su poca abundancia hace inviable su uso comercial a gran escala. Por todo ello, surge la necesidad de explorar nuevas vías más factibles que permitan llevar a cabo la electrocatálisis de estos procesos redox y que, en base a las últimas investigaciones realizadas, pueden pasar por ciertos hidróxidos metálicos, nitruros, fosfuros, sulfuros y carburos de determinados elementos de transición. En este contexto, los principales objetivos de la presente tesis doctoral son los siguientes: - Sintetizar diferentes electrodos semiconductores nanocristalinos o policristalinos compactos de óxidos ternarios de la familia ABO4 y de la familia perovskita (ABO3) mediante técnicas de síntesis por sol-gel, para su uso posterior como fotoánodos o fotocátodos en procesos de disociación fotoelectroquímica del agua. - Caracterizar desde el punto de vista electroquímico y fotoelectroquímico los diferentes fotoelectrodos sintetizados para evaluar su actividad como fotoánodos o fotocátodos en procesos de disociación fotoelectroquímica del agua. - Sintetizar diferentes hidróxidos metálicos del grupo del hierro (Fe, Co y Ni) mediante una técnica de síntesis por baño químico, para su uso posterior como electrocatalizadores para la reacción de generación de oxígeno en medio alcalino y como co-catalizadores de la reacción fotoelectroquímica de generación de oxígeno sobre los fotoánodos obtenidos. - Caracterizar desde el punto de vista electroquímico y fotoelectroquímico los diferentes hidróxidos metálicos preparados para evaluar su actividad como electrocatalizadores para la reacción de generación de oxígeno en medio alcalino y como co-catalizadores de la reacción fotoelectroquímica de generación de oxígeno sobre los fotoánodos obtenidos con el fin de mejorar las propiedades fotoelectroquímicas de los mismos y potenciar así su aplicabilidad en procesos de disociación fotoelectroquímica del agua. - Sintetizar partículas metálicas (fundamentalmente, de Ni), mediante una técnica de síntesis por electrodepósito, que puedan ser empleadas como co-catalizadores de la reacción fotoelectroquímica de generación de hidrógeno sobre los fotocátodos obtenidos con el fin de mejorar las propiedades fotoelectroquímicas de los mismos y potenciar así su aplicabilidad en células de fotosíntesis artificial. También se contempla la posibilidad de generar una capa pasivante/extractora de TiO2 entre la superficie del fotocátodo y el depósito de co-catalizador que favorezca la actividad de este. -Caracterizar los fotoelectrodos y los electrocatalizadores preparados estructural, composicional y morfológicamente mediante técnicas de difracción de rayos X, técnicas espectroscópicas (espectroscopía de absorción ultravioleta-visible, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X y espectroscopía Raman), y técnicas de microscopía (microscopía electrónica de barrido y de transmisión). El desarrollo de estos objetivos, los resultados correspondientes y las conclusiones obtenidas se exponen en detalle en once capítulos relacionados. El Capítulo I consiste en una introducción donde se presentan los principios físicos y electroquímicos básicos de los semiconductores y se presenta el estado del arte de los diferentes materiales utilizados a lo largo de esta tesis. En el Capítulo II se revisan las diferentes técnicas de síntesis y caracterización empleadas en esta investigación. Los Capítulos III a X están específicamente dedicados al desarrollo de los objetivos antes mencionados relacionados con la preparación y caracterización de fotoelectrodos, electrocatalizadores y co-catalizadores. Es importante señalar que los Capítulos III a VI se han publicado en revistas indexadas, mientras que los resultados mostrados en los Capítulos VII a X ya se han enviado o se enviarán para su publicación en un futuro próximo. Finalmente, en el Capítulo XI se recogen las conclusiones generales y específicas de esta tesis. / La realización de la presente tesis doctoral ha sido financiada por el Ministerio español de Educación, Cultura y Deporte mediante una ayuda para la Formación de Profesorado Universitario (FPU15/02005).

La tesis aborda el estudio teórico de varias reacciones enzimáticas mediante el uso de programas de cálculo de química cuántica. A partir de la localización y caracterización de estructuras de transicion para la etapa química del proceso enzimático, se pretende obtener el mecanimo del mismo, así como información necesaria para deducir el origen del poder catalítico de las enzimas. Cálculos de efectos cinñeticos isotópicos ayudarán a comparar resultados teóricos con los únicos datos experimentales que porporcionan información indirecta de las estructuras de transición.Todos los cálculos han sido realizados utilizando modelos en vacío o simulando el medio con modelos continuos de polarización

Capes de nanotubs de carboni de múltiples parets (MWCNTs) s'han dipositat sobre diferents substrats transductors per a aplicacions de detecció de gasos. MWCNTs tractats amb plasma d'oxigen, anomenats O-MWCNTs, han estat un element fonamental per al desenvolupament de nanomaterials sensibles a diferents gasos. Inicialment, els O-MWCNTs es van estudiar com a element sensible en dispositius sensors de gasos de tipus resistiu. Els compostos orgànics volàtils (COV) com ara benzè, toluè, etanol, metanol i acetona es van utilitzar per a caracteritzar aquesta capa sensible. Els sensors van mostrar bona sensibilitat i excel·lent recuperació de la línia de base en presència de vapors de benzè o toluè en comparació amb els altres VOCs estudiats. També, els O-MWCNTs es van estudiar com a nanomaterials adsorbents dipositats en micropalanques ressonants piezoelèctriques PZT fabricades per serigrafia. En un segon pas, es va modificar l'elèctrode superior per convertir-lo en interdigitat amb la finalitat d'obtenir un transductor que permetir emprar dos mecanismes de transducció. Aquesta configuració ens va permetre mesurar, per a un sol dispositiu, el canvi de resistència de la pel·lícula de nanotubs de carboni i el canvi de freqüència de ressonància de la micropalanca PZT després de l'exposició a compostos orgànics volàtils. Les propietats de detecció de tals sistemes han estat estudiades per contaminants com el benzè, CO i NO2. Canvis positius i negatius de la freqüència de ressonància s'observen en baixes i altes concentracions de gas, respectivament. Aquests s'atribueixen a que l'estrès o els efectes de massa es fa dominant en nivells baixos o alts de concentració de gas. Mitjançant el signe del canvi de la resistència de la pel·lícula de O-MWCNT es poden discriminar els gasos o vapors d'acord al seu caràcter oxidant o reductor. L'interès de la doble transducció s'ha demostrat en la detecció de CO. Finalment, al davant de la dificultat per detectar benzè en concentracions baixes, s'ha seguit un enfocament diferent, basat en reconeixement molecular hoste-amfitrió. Per promoure la interacció específica cap al benzè, s'ha emprat un cavitant (quinoxalina) per funcionalitzar els O- MWCNTs. La detecció de 2,5 ppb de benzè en l'aire sec es demostra com a possible i el límit de detecció (LOD), es troba prop de 600 ppm. / Capas sensibles basadas en nanotubos de carbono multi pared (MWCNTs) han sido depositadas sobre diferentes sustratos de transductores para su aplicación en sensores de gases. MWCNTs tratados con plasma de oxígeno, llamados O-MWCNTs, han sido el compuesto básico para el desarrollo de otros nanomateriales sensibles a gases. Primero, O-MWCNTs fueron estudiados como sensores de gas resistivos. Compuestos orgánicos volátiles (COVs) como benceno, tolueno, etanol, y acetona fueron usados para caracterizar esta capa sensible. Los sensores muestran una buena sensibilidad y una recuperación excelente de la línea de base en presencia de vapores de benceno o tolueno en comparación a otros COVs probados. O-MWCNTs fueron estudiados como nanomateriales adsorbentes depositados sobre micropalancas resonantes piezoeléctricas de PZT fabricadas por serigrafía multi-capa. En segundo término, una modificación del electrodo superior en forma de dos electrodos interdigitados fue implementada con el objetivo de obtener un elemento transductor capaz de implementar dos mecanismo de transducción. Esta configuración nos ha permitido medir, con un solo dispositivo, el cambio en la resistencia de la capa de los nanotubos de carbono y el desplazamiento de la frecuencia de resonancia de la micropalanca PZT bajo exposicion a los COVs. Las propiedades de detección de estos sistemas han sido estudiadas para los contaminantes benceno, CO y NO2. Desplazamientos positivos y negativos de la frecuencia de resonancia son observados a bajas y altas concentraciones, respectivamente. Esto es atribuido a los efectos de estrés y de masa convirtiéndose en dominantes a bajos o altos niveles de concentración. Monitorizando la resistencia de la capa de los O-MWCNTs de tipo-p ayuda a discriminar los gases/vapores en acuerdo con sus caracteres oxidante o reductor. El interés de la doble transducción ha sido demostrado con la detección de CO. Finalmente, frente a la dificultad de detectar benceno a baja concentración, un enfoque diferente basado en el reconocimiento molecular "host-guest" es propuesto. Para promover interacciones especificas hacia el benceno, los MWCNTS funcionalizados con un cavitando de tipo quinoxalina fueron empleados. Una detección de 2.5 ppb de benceno en aire seco es demostrado con un límite de detección (LOD) cerca de 600 ppt. / Multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) base sensitive layers have been deposited onto different transducer substrates for gas sensing application. Oxygen plasma treated MWCNTs, so-called O-MWCNTs, have been a building block for developing other gas sensitive nanomaterials. At first, O-MWCNTs were studied as resistive gas sensors. Volatile organic compounds (VOCs) such as benzene, toluene, ethanol, methanol and acetone were used to characterize this sensitive layer. The sensors showed good sensitivity and excellent baseline recovery in the presence of benzene or toluene vapors compared to the others tested VOCs. O-MWCNTs were studied as adsorbent nanomaterials deposited on PZT piezoelectric resonant cantilevers fabricated by multilayer screen-printing. In the second step, a modification of the top electrode to become an interdigitated electrode was implemented in order to have a sensor transducer employing two transduction mechanisms. This configuration allowed us to measure, for a single device, the resistance change of the carbon nanotube film and the resonance frequency shift of the PZT cantilever upon exposure to VOCs. The sensing properties of such systems have been studied for benzene, CO, and NO2 contaminants. Positive and negative shifts of the resonance frequency are observed at low and high gas concentrations, respectively. These are attributed to stress or to mass effects becoming dominant at low or high gas concentration levels. Monitoring the resistance of the p-type O-MWCNT film helps discriminating gases/ vapours according to their oxidizing or reducing character. The interest of the double transduction has been demonstrated in the detection of CO. Finally, in front of the difficulty to detect benzene at low concentrations, a different approach based on the host-guest molecular recognition is proposed. To promote specific interaction toward benzene, quinoxaline-walled thioether-legged deep cavitand functionalized MWCNTs are used. The detection of 2.5 ppb of benzene in dry air is demonstrated with a limit of detection (LOD) near 600 ppt.

Durant el transcurs del primer any de la meva tesi doctoral, vaig estar involucrada en el diseny i síntesi de complexos de Zn (II) –salophen, decorats covalentment amb una unitat de 1,8-naftalimida La fixació de la unitat de 1,8-naftalimida al complex de Zn(II)-salophen va provocar una disminució significativa de la fluorescencia de la primera. Per tal d’explicar aquest fenòmen, hem proposat i demostrat l’existència d’un procès de transferencia d’energia fotoinduida entre la unitat de naftalimida (dador) i la salophen (acceptor). Un altre període de la meva tesi doctoral va ser dedicat al disseny i síntesis de nous resorcin[4]arens, modificats covalentment amb una unitat Zn(II)-salophen en el cèrcol superior. Aquest compost es va testar com a catalitzador en la hidròlisi del para-nitrofenil carbonato de colina (PNPCC). Comparant els resultats obtinguts, vàrem detectar un augment moderat de la constant de velocitat de reacció en presència del resorcin[4]arè prèviament preparat Finalment, vaig participar en el disseny i síntesis de derivats peptídics de complexos de Zn(II)-salophen. Les propietats de gelificació d’aquest derivat van ser investigades mitjançant la prova d’inversió de tub. En resum, durant la meva tesi doctoral he explorat i demostrat les asplicacions dels complexes de Zn(II)-salophen en diferents camps, tal com el reconeixement d’anions, catálisis i la preparació de nous materials. / Durante el primer año de mi tesis doctoral estuve involucrada en el diseño y en la síntesis de complejos Zn (II) -salophen covalentemente decorados con una unidad 1,8-naftalimida. La fijación de la unidad 1,8-naftalimida al complejo de Zn(II)-salophen provocó una disminución significativa de la fluorescencia de la primera. Para explicar este fenómeno, hemos propuesto y demostrado la existencia de un proceso de transferencia de energía fotoinducida entre la unidad de naftalimida (donador) y la salophen (aceptor). Otro período de mi tesis doctoral se dedicó al diseño y síntesis de un nuevo resorcin[4]areno modificado covalentemente con una unidad Zn(II)-salophen en el cerco superior. Este compuesto se ensayó como catalizador en la hidrólisis del para-nitrofenil carbonato de colina (PNPCC). Comparando los resultados obtenidos, detectamos un moderado aumento de la constante de velocidad de reacción en presencia del resorcin[4]areno que preparamos. Por último, participé en el diseño y síntesis de derivados peptídicos de complejos Zn(II)-salophen. Las propiedades de gelificación de este derivado se investigaron a través de la prueba de inversión de tubo. En resumen, durante mi tesis doctoral he explorado y demostrado las aplicaciones de los complejos de Zn(II)-salophen en diferentes campos, como el reconocimiento de aniones, catálisis y la preparación de nuevos materiales. / During the first year I was involved in the design and synthesis of Zn(II)-salophen complexes covalently decorated with a 1,8-naphthalimide unit. The attachment of the 1,8-naphthalimide unit to the Zn(II)-salophen complex provoked a significant emission quenching of the former one. To explain this phenomenon, we proposed and demonstrated the existence of a photoinduced energy transfer process between the naphthalimide unit (donor) and the salophen (acceptor). Another period of my PhD thesis was devoted to the design and synthesis of an unprecedented resorcin[4]arene derivative featuring a Zn(II)-salophen unit covalently attached at the upper rim. This compound was tested as catalyst in the hydrolysis of the para-nitrophenyl choline carbonate (PNPCC). By comparison of the obtained results, a moderate increase in the reaction rate constant was detected in the presence of the resorcin[4]arene we prepared. Finally, I was involved in the design and synthesis of peptide derivatives of Zn(II)-salophen complexes. The gelation properties of this derivative were investigated through the tube inversion test. To sum up, during my PhD thesis I have explored and showed the potentialities of Zn(II)-salophen complexes in different fields, i.e. anion recognition, catalysis and responsive soft materials.

El present treball està dedicat a les aplicacions pràctiques de diversos mètodes teòrics i de simulació incloent la dinàmica molecular, Montecarlo i la mitjana dels càlculs del camp per entendre les propietats físiques del sistema bicapa lipídica, així com la interacció dels objectes a escala nanomètrica en contacte amb lípids desenvolupament i bicapes. En particular, el treball es tracten els següents temes: 1. Optimització i equilibri de propietats bicapes lipídiques utilitzant única cadena de la teoria de camp mig. 2. El desenvolupament del model i estudiar les propietats d'equilibri de bicapes de lípids oxidats amb camp mitjà i els mètodes de dinàmica molecular 3. Estudi de les propietats d'equilibri de doble capa amb nanopartícules utilitzant camp mitjà i els mètodes de Montecarlo. Optimització de polímer translocacional través de la tècnica 5. Mètodes estadístics GPU membrana utilitzats per a les propietats superficials de micro fulles d'alteració bicapes lipídiques. / El presente trabajo está dedicado a las aplicaciones prácticas de varios métodos teóricos y de simulación incluyendo la dinámica molecular, Monte Carlo y la media de los cálculos del campo para entender las propiedades físicas del sistema bicapa lipídica, así como la interacción de los objetos a escala nanométrica en contacto con lípidos desarrollo y bicapas. En particular, el trabajo se tratan los siguientes temas: 1. Optimización y equilibrio de propiedades bicapas lipídicas utilizando única cadena de la teoría de campo medio. 2. El desarrollo del modelo y estudiar las propiedades de equilibrio de bicapas de lípidos oxidados con campo medio y los métodos de dinámica molecular 3. Estudio de las propiedades de equilibrio de bicapa con nanopartículas utilizando campo medio y los métodos de Monte Carlo. Optimización de polímero translocacional través de la técnica 5. Métodos estadísticos GPU membrana utilizados para las propiedades superficiales de micro cuchillas de alteración bicapas lipídicas. / Present work is devoted to the development and practical applications of several theoretical and simulation methods including Molecular dynamics, Monte Carlo and Mean field calculations to understand the physical properties of the lipid bilayer system as well as the interaction of nano-scale object in contact with lipid bilayers. In partcular, the work covers the following topics: 1. Optimization and equilibrium properties of lipid bilayers using Single Chain Mean Field theory. 2. Developing the model and study the equilibrium properties of bilayers with oxidized lipids with mean field and molecular dynamics methods 3. Study the equilibrium properties of bilayer with nanoparticles using mean field and Monte Carlo methods4. Optimization of translocational polymer through membrane GPU technique 5. Statistical methods used to the surface properties of micro blades disrupting lipid bilayers.

En les darreres dècades, el món de la tecnologia i el desenvolupament de nous aparells electrònics s'han convertit en vitals per la nostra societat. Considerant la creixent demanda per la interpretació de resultats experimentals, la millora dels mètodes teòrics i el creixement dels recursos computacionals ens han permés un millor enteniment del comportament magnètic en sistemes amb metalls de transició. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir en aquest camp d'investigació amb l'estudi de materials magnètics utilitzant eines computacionals (DFT, TD-DFT, CASSCF, CASPT2, DDCI, etc.), i en alguns casos, combinant-ho amb resultats experimentals. La primera part (Capítols 3 i 4) inclou l'estudi dels estats electronics de complexes de spin-crossover de Fe(II) i Fe(III) combinant la teoria funcional de la densitat (DFT i TD-DFT) amb mètodes multiconfiguracionals (CASSCF, CASPT2). A més a més, utilitzant la mateixa combinació, hem descrit el fenomen LIESST en complexes de Fe(III). La segona part (Cap. 5 i 6) exposa l'estudi de les propietats magnètiques associades a l'acoblament magnètic utilitzant mètodes variacionals (DDCI, DDCI-2), en un complex de Fe(IV) i un complex bimetàl·lic [MnCr]-oxalat, y com els canvis estructurals afecten a aquest acoblament. Altrament, hem fet un rigurós anàlisi de l'estructura electrònica del complex de Fe(IV) per proporcionar més informació en la descripció més adequada del sistema. / En las últimas décadas, el mundo de la tecnologia y el desarrollo de nuevos aparatos electrónicos se han convertido en vitales para nuestra sociedad. Considerando la creciente demanda para la interpretación de resultados experimentales, la mejora de los métodos teóricos y el crecimiento de los recursos computacionales nos han permitido un mejor entendimiento de los comportamientos magnéticos en los sistemas con metales de transición. El objetivo de esta tesis es contribuir a este campo de investigación con el estudio de materiales magnéticos usando herramientas computacionales (DFT, TD-DFT, CASSCF, CASPT2, DDCI, etc.), y en algunos casos, combinando con resultados experimentales. La primera parte (Capítulo 3 y 4) incluye el estudio de los estados electrónicos de los complejos de spin-crossover de Fe(II) y Fe(III) combinando la teoria funcional de la densidad (DFT y TD-DFT) con métodos multiconfiguracionales (CASSCF, CASPT2). Además, usando la misma combinación, hemos descrito el fenómeno LIESST en complejos de Fe(III). La segunda parte (Cap. 5 y 6) expone el estudio de las propiedades magnéticas asociadas al acoplamiento magnético utilizando metodos variacionales (DDCI, DDCI-2), en un complejo de Fe(IV) y un complejo bimetálico [MnCr]-oxalato, y como los cambios estructurales afectan a ese acoplamiento. Por otra parte, hemos hecho un riguroso analisis de la estructura electrónica del complejo de Fe(IV) para aportar la información para la descripción mas adecuada del sistema. / Over the last decades the world of technology and the development of new devices have become vital for our society. Considering the growing demand for interpretation of experimental observations, the improvement of theoretical methods and the increasing of the computational resources has allowed us to deepen the understanding of magnetic beahvior of metal transitions architectures. The aim of this thesis is to contribute to this research field with the study of magnetic materials by using computational tools (DFT, TD-DFT, CASSCF, CASPT2, DDCI, etc.), and in some cases combining it with experimental results. The first part (Chapters 3 and 4) includes the study of the electronic states of Fe(II) and Fe(III) spin-crossover complexes combining the density functional theory (DFT and TD-DFT) with multiconfigurational methodologies (CASSCF, CASPT2). In addition, we have described the LIESST phenomenon in Fe(III) using the same combination. The second part (Chapters 5 and 6) exposes the study of the magnetic properties related to the magnetic coupling using variational methods (DDCI, DDCI-2) of a Fe(IV) complex and bimetallic [MnCr] oxalate-based complexes and how changes can influence to the coupling. Moreover, a rigorous analysis of the electronic structure of the Fe(IV) system has been performed to provide more information about the most adequate description of the system in terms of intuitive chemical concepts.

En aquest treball es demostren nous mètodes prometedors en la fabricació de cèlules solars orgàniques obtingudes per processos en dissolució. Més concretament, s'ha demostrat que l'envelliment de la sol·lució i la utilització de solvents ternaris són utls per a la modificació de la nanomorfologia i la fase cristalina de la capa activa en cel·les basades en PTBx:PCBM. L'estudi es centre en comprendre com l'envelliment de la sol·lució i la barreja de solvents influencien les morfologies de la barreja de polímers a la cel·la, la seva cristalinitat i la eficiència del dispositiu. En base a mesures de AFM i GIXS es demostra que l’envelliment de la solució millora significativament la separació de microfases, la morfologia i la interpenetració bi-continua de la barreja PTB1:PCBM. S’ha demostrat un millora significativa del 19% en eficiència de cel·les obtingudes per envelliment de solució enfront de cel·les sense aquest procés. A més, s’han fabricat estructures c-PSC i i-PSC basades en PTB7:PCBM utilitzant una barreja de solvents ternària de CB/CHN/DIO. S’ha trobat que l’addició de CHN a la solució de CB/DIO permet controlar no només la cristalinitat dels polímers a la capa activa sinó també la seva composició superficial. Després d’utilitzar CB/CHN/DIO, les mesures de GIXS revelen la formació de dominis estructurals i una millora de la distància entre cadenes del polímer PTB7. Això te per conseqüència un augment del corrent foto-generat i de l’eficiència. Mesures d’angle de contacte demostren la presència de PTB7 enriquit a la superfície superior de la capa activa. Això indueix una major selectivitat a l’ànode, en particular per estructures i-PSC en comparació amb dispositius c-PSC. D’aquesta manera, s’aconsegueix una eficiència del 8.05 % per a dispositius i-PSC obtinguts amb solució de CB. Aquesta és significativament més gran que la dels dispositius c-PSC (6.86%). / En este trabajo se demuestran nuevos métodos prometedores en la fabricación de células solares orgánicas obtenidas mediante procesos en disolución. Más concretamente, se ha demostrado que el envejecimiento de la solución y el uso de solventes ternarios son útiles para la modificación de la nanomorfología y la fase cristalina de la capa activa en células basadas en PTBx:PCBM. El estudio se centra en comprender como el envejecimiento de la solución y la mezcla de solventes influencian las morfologías de la mezcla de polímeros en la celda, su cristalinidad y la eficiencia del dispositivo. En base a medidas de AFM y GIXS se demuestra que el envejecimiento de la solución mejora significativamente con la separación de microfases, la morfología y la interpenetración bi-contínua de la mezcla PTB1:PCBM. Se ha demostrado una mejora significativa del 19% en la eficiéncia de células obtenidas mediante envejecimiento de la solución, frente a células sin este proceso. Además se han fabricado estructuras c-PSC y i-PSC basadas en PTB7:PCBM usando una mezcla de solventes ternaria CB/CHN/DIO. Se ha encontrado que la adición de CHN a la solución de CB/DIO permite controlar no solamente la cristalinidad de los polímeros en la capa activa, sino también en su composición superficial. Después de usar CB/CHN/DIO, las medidas de GIXS revelan la formación de dominios estructurales y una mejora de la distancia entre cadenas del poímero PTB7. Esto, por consecuencia lleva a un aumento de la corriente foto-generada y de la eficiencia. Medidas de ángulo de contacto demuestran la presencia de PTB7 enriquecido en la superficie superior de la capa activa. Esto induce una mayor selectivitat en el ánodo, en particular para estructuras i-PSC en comparaci´n con dispositivos c-PSC. De esta manera, se consigue una eficiencia del 8.05% para dispositivos i-PSC obtenidos con una solución de CB. Esta es significativamente mayor que la de los dispositivos c-PSC (6.86%). / In the work, we have demonstrated that solution aging and ternary solvent mixture were promising methods to modify nanomorphology and crystal phase of the active layer in PTBx:PCBM polymer solar cells. We focus on understanding how the solution aging and solvent mixture influence the blend morphologies and crystallinity of polymers, further affecting the device performance. Supported by AFM and GIXS measurements, the results showed solution aging significantly improves microphase separation morphology and bi-continuous interpenetrating network of the PTB1:PCBM blend. A significant improvement exceeding 19% in PCE in device with solution aging processed are found compared to without solution aging. In addition, we fabricated the c-PSC and i-PSC structures based on PTB7:PCBM with a CB/CHN/DIO ternary solvent mixture treatment. We found that addition of CHN into CB/DIO solution can control not only crystallinity of polymers the of the active layer but also surface compositions . After using CB/CHN/DIO, GIXS measurements reveal the formation of oriented crystalline structure domains and improvement increase of interchain stacking distance between PTB7 polymer, which consequently leads to a more efficient increase in photo-generated current. Enriched PTB7 on the top surface of active layer, detected via contact angle measurements, induces higher hole selectivity at the anode contact and is favorable to i-PSC compared with c-PSC device. Thus, PCE of 8.05% for i-PSC device from CB solution is obtained, which is significantly higher than the one obtained from c-PSC device (6.86%).