Development of effective pollution control strategies for urban areas requires accurate predictive models. The ability of models to correctly characterize the atmospheric chemistry, meteorology, and deposition rely on accurate data measurements, both as input and verification of output. Therefore, the measurement techniques must be sensitive, accurate, and capable of resolving the spatial and temporal variations of key chemical species. The application of a sensitive in situ optical absorption technique, known as cavity ring-down spectroscopy, will be introduced for simultaneously measuring the nitrate radical and dinitrogen pentoxide. The cavity ring-down spectrometer was initially designed and constructed based on the experiments by Steven Brown and Akkihebal Ravishankara at the National Oceanic and Atmospheric Administration. The instrument design has since undergone many revisions before attaining the current instrumentation system. Laboratory observations provide verification of accurate N2O5 and NO3 detection with measurements of the nitrate radical absorption spectrum centered at 662 nm, effective chemical zeroing with nitric oxide, and efficient thermal decomposition of N2O5. Field observations at a local park provided further confirmation of the instruments capability in measuring N2O5 and NO3. However, detection limits were too high to detect ambient NO3. Effective and frequent zeroing can easily improve upon the sensitivity of the instrument. Determination of the source of the polluted air masses detected during these studies was unknown since the typical southerly winds from Houston were not observed. Since deployment in the field, instrumentation modifications and laboratory measurements are underway for preparation of the SOOT campaign in Houston, Texas starting April 15, 2009. Current modifications include automation of the titration with a solenoid valve and an automated filter changer. Wall losses and filter transmission for NO3 and N2O5 will be determined through laboratory measurements in coincidence with and ion-drift chemical ionization mass spectrometer prior to the SOOT project. Potential modifications to improve upon the instrument are suggested for future endeavors.

Heterogeneous reactions have the potential to significantly impact urban ozone formation and total reactivity of the atmosphere. This dissertation used comparisons between photochemical modeling predictions and field measurements to examine heterogeneous N₂O₅ chemistry in Southeast Texas. Heterogeneous reactions of N₂O₅ can lead to two different products: nitric acid (HNO₃) and nitryl chloride (ClNO₂). The formation of HNO₃ results in a loss of reactive nitrogen from the atmosphere. In contrast ClNO₂ photolysis forms Cl radicals and NO₂, both of which promote ozone formation in the troposphere. Preliminary modeling identified key uncertainties and the need to perform more refined modeling which included updated PM emissions estimates, an updated gas-phase N₂O₅ hydrolysis reaction rate constant, updated reactive uptake coefficients, and the inclusion of ClNO₂ as a product of heterogeneous N₂O₅ uptake. Refined modeling which incorporated all of these improvements was carried out and was the first comprehensive modeling of this chemistry performed for an urban air pollution episode. Comparisons of aerosol surface area concentrations, N₂O₅ concentrations, HNO₃ concentrations, and ClNO₂ concentrations with ambient data showed that model predictions were reasonable. The exceptions to this were 1) over-predictions of aerosol surface area concentration peaks at altitudes above 1500 meters and 2) over-prediction of N₂O₅ concentrations in the Houston Ship Channel. Further analysis is needed to identify the reasons for these over-predictions. Other key findings from this modeling include the model prediction of inland chlorine concentrations high enough to form ClNO₂ and the prediction that a large portion of atmospheric chlorine is cycled through ClNO₂, therefore making the inclusion of ClNO₂ into photochemical models essential for properly simulating chlorine chemistry. In addition, modeling suggested that the chemistry leads to significant increases of NO[subscript x] at night, but decreases in daytime NO[subscript x] concentrations and that the overall effect was to decrease ozone concentrations. Further investigation into the effect of ClNO₂ as a chlorine source showed that likely ozone increases in the Houston area caused by the presence of this compound are on the order of several ppb. Further analyses showed that vertical dispersion and local atmospheric composition moderated the effect of nitryl chloride on ozone mixing ratios. / text

Esta tese apresenta um estudo detalhado das propriedades eletroquímicas dos nanocompósitos de V2O5.nH2O e poli(pirrol) sobre a superfície de eletrodos. Demonstramos aqui que pelo controle de parâmetros de síntese é possível alterar a composição das interfaces eletroquímicas dos eletrodos modificados, fazendo com que o poli(pirrol) esteja por cima, por baixo ou dentro do V2O5 que recobre os eletrodos. Esta diferenciação estrutural tem repercussão nas propriedades eletroquímicas e espectroscópicas dos eletrodos modificados. Desenvolvemos além disto um método para gerar matrizes de V2O5.nH2O, assim como nanocompósitos com poli(pirrol) que possuam anisotropia elétrica tridimensional, propriedade útil em eletrônica. Na última parte do trabalho, poli(pirrol) foi inserido em matrizes de intercalação do tipo BV (V2O5.nH2O estabilizado com esmectita) gerando materiais estáveis em meio aquoso e adequados modificadores de eletrodos, viabilizando a exploração das propriedades dos compósitos de V2O5/poli(pirrol) em água. / This thesis focuses on the electrochemical properties of V2O5.nH2O and its poly(pyrrole) nanocomposites over electrodes. We demonstrate that it is possible, by controlling synthetic procedures, to change the composition of the modified electrodes interfaces, leaving poly(pyrrole) over, under or inside the V2O5 films covering the electrodes. This structural differenciation repercutes on the electrochemical and spectroscopic properties of the modified electrodes. We have developed also a method to generate V2O5.nH2O matrices as well as their nanocomposites with poly(pyrrole) showing tridimensional electrical anisotropy, a useful property in electronics. Additionally, poly(pyrrole) has been inserted into BV (smectite stabilized V2O5.nH2O) matrices, generating stable materials in aqueous medium, conveying to this, the properties of V2O5/poly(pyrrole) nanocomposites modified electrodes.

As diimidas naftálicas simétricas têm sido vastamente estudadas devido suas propriedades químicas, ópticas, e eletrônicas. A possibilidade de modular suas propriedades com a substituição de grupos diversos na formação da imida, viabiliza aplicações em dispositivos eletrônicos, conversão de energia e produção de redes de coordenação metalo-orgânicas. Neste trabalho sintetizou-se uma série de 5 diimidas naftálicas (NDIs) simétricas com substituintes aromáticos. Foram analisadas as características espectroscópicas e eletrônicas com obtenção dos valores de band-gap óptico através de ensaios de voltametria cíclica e cálculos teóricos (DFT), mostrando a influência dos substituintes nas propriedades eletrônicas. Estas moléculas apresentam indícios de agregação em determinados solventes tornando possível a produção de filmes finos. As NDIs produzidas foram intercaladas em uma matriz inorgânica lamelar, o pentóxido de vanádio amorfo, e melhorando consideravelmente, via de regra, a capacidade específica de carga quando analisados em sistemas trocadores de íon lítio, aplicados geralmente em cátodos de bateria, com valores da ordem de 190 mA.h.g-1 (sob 100 uA, variação de E +1,2V à -1,2V). É provavelmente um dos primeiros trabalhos a utilizar NDIs em sistemas mistos de matrizes inorgânicas aplicados em trocadores de íons. Algumas apresentam potencial para dispositivos de conversão de luz em eletricidade. / Symmetric naphthalic diimides have been extensively studied due to their chemical, optical, and electronic properties. The possibility of modulating their properties by substitution with several groups in the formation of imides allows diverse applications in electronic devices, energy conversion, production of metallo-organic frameworks (MOFs). In this thesis, a series of 5 symmetrical aromatic-substituted naphthalic diimides (NDIs) were sinthesized. We have studied their optical and electronic characteristics obtaining optical band-gap with cyclic voltammetry tests and theoretical calculations (DFT), showing the influence of substituent in the electronic properties. Some of these imides may aggregate in certain solvents allowing this way the production thin films. The NDIs were intercalated in the inorganic intercalation matrix of amorphous vanadium pentoxide, and showed generally considerable improvement in the specific charge capacity when used in lithium ion exchange systems, that are usually applied in battery cathodes, reaching values of the order of 190 mA.h.g-1 (under 100 uA, E variation of + 1.2V to -1.2V). This is probably one of the first works using NDIs in mixed systems to applied inorganic matrices as ion exchangers. Some of them may be used for light conversion to electricity devices.

Neste trabalho foi preparado e caracterizado estruturalmente um novo compósito de pentóxido de vanádio xerogel (XRG-V2O5) e gelatina na proporção de 1 e 10% em massa (gelatina/V2O5). O xerogel obtido foi submetido a secagem (80, 200 ou 300°C) sob pressão reduzida por 4 horas. A caracterização estrutural consistiu de medidas de difração de raios-X (DRX), espectroscopia FTIR e Raman, análise termogravimétrica (TGA) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Técnicas de voltametria cíclica a baixa velocidade de varredura e curvas cronopotenciométricas foram também aplicadas para investigação do comportamento deste xerogel frente a eletrointercalação de íons lítio. Foi observado que os compósitos XRGV2O5/gelatina possuem basicamente a mesma estrutura local do XRG-V2O5, ou seja são constituídos por pirâmides distorcidas de base quadrada VO5. Os compósitos também apresentam organização bidimensional com formação de camadas, semelhante ao XRG-V2O5 pristino. A gelatina encontra-se no material inserida entre as camadas do xerogel, e sua presença altera significativamente o valor da distância basal, não sendo esta distância diminuída com o aumento da temperatura de tratamento térmico. A gelatina também afeta o grau de desordem do xerogel. Os resultados sugerem que a gelatina presente no interior do material encontra-se em conformações segundo a concentração de H2O no mesmo. Os compósitos mostraram-se aptos a intercalar íons lítio eletroquimicamente. Os XRG-V2O5/gelatina preparados com 1% de gelatina, e em particular a amostra submetida ao tratamento térmico a 200°C, fornecem capacidades específicas superiores àquelas encontradas na literatura para o XRG-V2O5 pristino (capacidades específicas superiores a 120 mA.h/g). Também verificou-se que a gelatina não participa dos processos de transferência de carga com o lítio. / In this work it was prepared and characterized structurally a new composite of vanadium pentoxide xerogel (XRG-V2O5) and gelatin in rate of 1 and 10% in weight (gelatin/V2O5). The xerogel obtained was submitted to drying (80, 200 or 300°C) under vacuum for 4 hours. The structural characterization consisted of X-ray diffraction (XRD), FTIR and Raman spectroscopy, termogravimetric analysis (TGA) and scanning electronic microscopy (SEM) measures. Techniques of cyclic voltametry at low scan rate and chronopotenciometric curves also were applied to investigate the behavior of this xerogel front the electrointercalation of lithium ions. It was observed that the composites XRG-V2O5/gelatin have the same local structure of XRG-V2O5, being constituted by VO5 distorted square pyramids. The composites also show a two-dimensional organization with formation of layers, similar to the pristine XRG-V2O5. The gelatin is inserted in the material among the xerogel layers, and its presence alters the basal distance values significantly. This distance weren\'t decreased with the temperature increase of thermal treatment. The gelatin also affects the degree of xerogel disorder. The results suggest that gelatin inside the material is in conformation according to H2O concentration at xerogel. The composites are able to insert lithium ions electrochemically. XRGV2O5/ gelatin prepared with 1% of gelatin, in particular the sample submitted to the thermal treatment to 200°C, provide higher specific capacities that those found in the literature for pristine XRG-V2O5 (specific capacities superiors than 120 mA.h/g). It was also verified that gelatin doesn\'t participate of charge transfer processes with lithium.

O presente trabalho consiste na preparação e caracterização de filmes finos de óxido nióbio (Nb2O5) dopados com trifluoro metano sulfonato de lítio (CF3SO3Li). A adição do sal de lítio tem como objetivo verificar a influência do mesmo nas performances opto-eletroquímicas dos filmes de óxido de nióbio. Os sóis para deposição dos filmes foram preparados pelo processo sol-gel submetendo a mistura de NbCl5, butanol, ácido acético e o sal de lítio à irradiação ultra-sônica por alguns minutos. Em seguida, os filmes foram depositados pela técnica dip-coating sobre um substrato de vidro recoberto com camada condutora (ITO-Asahi). Os filmes foram então submetidos a um tratamento térmico entre 400&#176C e 600&#176C durante alguns minutos em atmosfera de ar. A reversibilidade eletroquímica destes filmes foi estudada através de voltametria cíclica e cronoamperometria. As medidas de transmissão ótica foram realizadas in-situ na região entre 350 e 800nm (ultravioleta ao visível). Análises microscópicas (MEV, EDX, AFM) foram feitas para verificar a textura, composição e a topografia dos filmes. Foram feitas também, medidas de espectroscopia de infravermelho para a caracterização dos sóis e análises térmicas (DTA/TGA) e difração de raios-X para os precipitados. O possível uso destes filmes em sistemas eletrocrômicos para aplicação em arquitetura foi estudado através de comparação com os resultados de transmissão ótica de vidros comuns. / Present work shows the preparation and characterization of niobium (V) oxide films (Nb2O5) doped with lithium trifluoromethanesulfonate (CF3SO3Li). The main objective of lithium salt addition was to verify its influence on the opto-electrochemical performance of the niobia films. Sols to deposition of the films were prepared by sol-gel process. The mixture of NbCl5 butanol, acetic acid and lithium salt was submitted to ultrasonic irradiation for some minutes. After, films were deposited by dip-coating on glass substrate re-covered with conductor layer (ITO-Asahi). Films were submitted to the thermal treatment between 400 and 600&#176C during some minutes in air atmosphere. The electrochemical reversibility of these films was studied by cyclic voltammetry and chronoamperometry. Their optical transmission measurements were performed in-situ in the UV-VIS range (between 350 and 800nm). Microscopic analysis (SEM, EDX, AFM) was made to check the texture, composition and topography of the films. Infrared spectroscopy measurements were made to sols characterizations and thermal analyses (TGA/ DTA) and X-ray diffraction to the precipitates. The possible use these films in architecture was studied by comparing with the optic transmission results of the common glass.

Neste trabalho foi estudada a produção, por síntese hidrotermal assistida por microondas, nanoestruturas de pentóxido de nióbio (Nb2O5) a partir do precursor pentacloreto de nióbio (NbCl5). A síntese foi realizada nas temperaturas de 150 e 200 °C durante 130 min, e o produto obtido foi tratado termicamente a temperaturas de 600, 800 e 1000 °C por 60 min com taxa de aquecimento de 10 °C/min. Os produtos obtidos foram caracterizados por análise termogravimétrica (ATG), para detectar a perda de massa com a temperatura; por difração de raios X (DRX), para análise da estrutura cristalina; por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e por espectroscopia Raman, para identificação das fases formadas; por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET), para verificação da morfologia do material; e por espectroscopia de refletância difusa (ERD), para identificar as propriedades ópticas do material. Além dessas, foram realizados cálculos do tamanho do cristalito pela equação de Scherrer. Os resultados indicaram a formação de nanoestruturas com diversas fases cristalinas de nióbio (TT, T, B, M e H-Nb2O5). O tamanho do cristalito variou em função da temperatura de tratamento térmico praticado: entre 35,85 e 38,80 nm para as amostras sintetizadas a 150 °C; e entre 34,84 e 40,93 nm para as amostras sintetizadas a 200 °C. Com a análise por refletância difusa foram obtidos os valores de band gaps para as amostras sintetizadas, e os resultados identificaram material semicondutor com uma variação de 3,13 a 3,90 eV. / In this work was studied the production by hydrothermal synthesis assist for microwave, niobium pentoxide nanocrystals (Nb2O5) obtained from the precursor pentachloride niobium (NbCl5). The synthesis was carried out at temperature of 150 and 200 °C for 130 min and the product obtained was calcined at temperatures 600, 800 and 1000 °C for 60 min and heating rate at 10 °C/min. The following characterizations were performed for analysis of the material, among them, thermal gravimetric analysis (ATG) for detecting the lost mass by temperature, X-ray diffraction (XRD) for analysis of the crystal structure, Fourier Transform Infrared spectroscopic (FTIR) and Raman spectroscopic was used for analyze the changes in superficial chemical connections, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electronic microscopic (TEM) for morphology of material and diffuse reflectance spectroscopy (DRS) for identification the material optical properties. Moreover, calculate were realized of crystallite size by Scherrer’s equation. The results showed the formation of nanostrutured with various phases (TT, T, B, M e H-Nb2O5). The crystallite size varied in function of thermal treatment temperature from 35,85 to 38,80 nm for synthesizes samples in 150 °C and 34,84 to 40,93 nm for synthesizes samples in 200 °C. With the analysis by diffuse reflectance were obtained the band gap values for the synthesized samples and the results identify a semiconductor material with a variation from 3,13 to 3,90 eV.

Neste trabalho investigamos o comportamento estrutural da matriz de pentóxido de vanádio hidratado (V205.nH20) em função da presença de convidados moleculares intercalados. Para tanto utilizamos uma ftalocianina de cobre tetrassulfonada (CuPcTs), comercial da Aldrich. A intercalação desta no espaçamento interlamelar da matriz foi feita por dois procedimentos distintos. O primeiro consistiu em adicionar a solução de CuPcTS sobre a superficie da matriz previamente preparada, e deixar difundir em função da expansão lamelar provocada pelo solvente. O segundo método, que denominamos \'Ascenção Capilar\', consistiu em deixar a matriz em contato com a solução apenas por uma de suas bordas, controlando-se o tempo necessário para atingir a parte superior da matriz. Para caracterizar e diferenciar as amostras intercaladas ou não, utilizamos uma bateria de técnicas, como: difração de raios-X, espectroscopia eletrônica por transmissão e reflectância, espectroscopia vibracional raman ressonante e FTIR (por transmissão e reflectância), microscopia eletrônica de varredura (MEV), ressonância paramagnética eletrônica (RPE) e análise elementar de CHN. Com base nessas técnicas foi possível constatar que a intercalação aumenta o grau de cristalinidade das amostras, e que a ftalocianina se orienta paralelamente às lamelas. O método de Ascenção Capilar conduz a amostras com menor grau de deposição superficial. / The intercalation behavior of hydrated vanadium(V)-oxide xerogels (V2O5.nH2O) in the presence of a molecular guest, e.g. copper(II)-tetrasulphonated phtalocyanine, has heen investigated. Two distinct routes of intercalation have been employed. The conventional procedure consists in directly applying the phtalocyanine solution onto the freshly prepared films of the vanadium(V)-oxide host, and allowing enough time for interlamelar diffusion and drying. The alternative procedure employs an arrangement where the films are kept in a vertical position, in contact with the surface of the phtalocyanine solution, until the ascension by capillary diffusion is complete. The caracterization of the nanocomposites, and differentiation between the intercalated and adsorbed species was pursued with the use of a number of techniques, such as X-ray diffractometry, electronic and vibrational spectroscopy (absorption, and reflectance and resonance Raman), scanning electron microscopy, electronic paramagnetic resonance, and elemental analysis. The experimental results show that the intercalation proceeds with a parallel orientation of the phtalocyanine molecules within interlamelar planes, leading to an increse of the internal order or crystallinity. The samples prepared by vertical capillary diffusion exhibited a smaller degree of contamination with the adsorbed phtalocyanine at the film surface, in comparison to the conventional procedure.

Neste trabalho investigamos o comportamento estrutural da matriz de pentóxido de vanádio hidratado (V205.nH20) em função da presença de convidados moleculares intercalados. Para tanto utilizamos uma ftalocianina de cobre tetrassulfonada (CuPcTs), comercial da Aldrich. A intercalação desta no espaçamento interlamelar da matriz foi feita por dois procedimentos distintos. O primeiro consistiu em adicionar a solução de CuPcTS sobre a superficie da matriz previamente preparada, e deixar difundir em função da expansão lamelar provocada pelo solvente. O segundo método, que denominamos \'Ascenção Capilar\', consistiu em deixar a matriz em contato com a solução apenas por uma de suas bordas, controlando-se o tempo necessário para atingir a parte superior da matriz. Para caracterizar e diferenciar as amostras intercaladas ou não, utilizamos uma bateria de técnicas, como: difração de raios-X, espectroscopia eletrônica por transmissão e reflectância, espectroscopia vibracional raman ressonante e FTIR (por transmissão e reflectância), microscopia eletrônica de varredura (MEV), ressonância paramagnética eletrônica (RPE) e análise elementar de CHN. Com base nessas técnicas foi possível constatar que a intercalação aumenta o grau de cristalinidade das amostras, e que a ftalocianina se orienta paralelamente às lamelas. O método de Ascenção Capilar conduz a amostras com menor grau de deposição superficial. / The intercalation behavior of hydrated vanadium(V)-oxide xerogels (V2O5.nH2O) in the presence of a molecular guest, e.g. copper(II)-tetrasulphonated phtalocyanine, has heen investigated. Two distinct routes of intercalation have been employed. The conventional procedure consists in directly applying the phtalocyanine solution onto the freshly prepared films of the vanadium(V)-oxide host, and allowing enough time for interlamelar diffusion and drying. The alternative procedure employs an arrangement where the films are kept in a vertical position, in contact with the surface of the phtalocyanine solution, until the ascension by capillary diffusion is complete. The caracterization of the nanocomposites, and differentiation between the intercalated and adsorbed species was pursued with the use of a number of techniques, such as X-ray diffractometry, electronic and vibrational spectroscopy (absorption, and reflectance and resonance Raman), scanning electron microscopy, electronic paramagnetic resonance, and elemental analysis. The experimental results show that the intercalation proceeds with a parallel orientation of the phtalocyanine molecules within interlamelar planes, leading to an increse of the internal order or crystallinity. The samples prepared by vertical capillary diffusion exhibited a smaller degree of contamination with the adsorbed phtalocyanine at the film surface, in comparison to the conventional procedure.

Esta tese apresenta um estudo detalhado das propriedades eletroquímicas dos nanocompósitos de V2O5.nH2O e poli(pirrol) sobre a superfície de eletrodos. Demonstramos aqui que pelo controle de parâmetros de síntese é possível alterar a composição das interfaces eletroquímicas dos eletrodos modificados, fazendo com que o poli(pirrol) esteja por cima, por baixo ou dentro do V2O5 que recobre os eletrodos. Esta diferenciação estrutural tem repercussão nas propriedades eletroquímicas e espectroscópicas dos eletrodos modificados. Desenvolvemos além disto um método para gerar matrizes de V2O5.nH2O, assim como nanocompósitos com poli(pirrol) que possuam anisotropia elétrica tridimensional, propriedade útil em eletrônica. Na última parte do trabalho, poli(pirrol) foi inserido em matrizes de intercalação do tipo BV (V2O5.nH2O estabilizado com esmectita) gerando materiais estáveis em meio aquoso e adequados modificadores de eletrodos, viabilizando a exploração das propriedades dos compósitos de V2O5/poli(pirrol) em água. / This thesis focuses on the electrochemical properties of V2O5.nH2O and its poly(pyrrole) nanocomposites over electrodes. We demonstrate that it is possible, by controlling synthetic procedures, to change the composition of the modified electrodes interfaces, leaving poly(pyrrole) over, under or inside the V2O5 films covering the electrodes. This structural differenciation repercutes on the electrochemical and spectroscopic properties of the modified electrodes. We have developed also a method to generate V2O5.nH2O matrices as well as their nanocomposites with poly(pyrrole) showing tridimensional electrical anisotropy, a useful property in electronics. Additionally, poly(pyrrole) has been inserted into BV (smectite stabilized V2O5.nH2O) matrices, generating stable materials in aqueous medium, conveying to this, the properties of V2O5/poly(pyrrole) nanocomposites modified electrodes.