Special issue on new carbon materials from biomass and their applications

Carbon-based materials, such as chars, activated carbons, one-dimensional carbon nanotubes, and two-dimensional graphene nanosheets, have shown great potential for a wide variety of applications [...

Development of Stripline Kickers for Low Emittance Rings: Application to the Beam Extraction Kicker for CLIC Damping Rings

El descubrimiento del bosón de Higgs ha iniciado una nueva era en el LHC cuyo objetivo será medir las propiedades de dicho bosón con la mayor precisión posible. Sin embargo, dada la complejidad de los protones, compuestos por quarks y gluones, existe el consenso en la Física de Altas Energías de que el próximo colisionador será un colisionador electrón-positrón. Desde un punto de vista simplista, para que electrones y positrones colisionen a muy altas energías en un colisionador circular, la energía perdida por radiación sincrotrón debe reponerse mediante estructuras aceleradoras de radiofrecuencia. Una alternativa para evitar este problema, es construir un colisionador lineal donde dos aceleradores lineales (linacs) opuestos aceleran las partículas hasta alcanzar su energía final en un solo paso antes de hacerlas colisionar en un punto de interacción central. Dos colisionadores lineales de electrones y positrones han sido propuestos: ILC (International Linear Collider) en el rango de energías de 1 TeV, y CLIC (Compact Linear Collider) en el rango de energías de 10 TeV. ILC ha sido diseñado para operar a una energía de 0.5 TeV y con una luminosidad de 2×1034cm−2s−1, utilizando cavidades aceleradoras superconductoras con un gradiente de aceleración de 31.5 MV/m. En cambio, CLIC está siendo diseñado para tener una energía de 3 TeV, y una luminosidad máxima de 1035cm−2s−1, con un gradiente de aceleración de 100 MV/m. Para alcanzar dichas luminosidades se necesitan anillos de amortiguamiento (Damping Rings, DRs) que reduzcan la emitancia de los haces creados por las fuentes de electrones y positrones varios órdenes de magnitud, produciendo además haces muy estables. El diseño de los DRs es diferente en el caso de ILC y CLIC. En CLIC, el tren de paquetes de partículas es relativamente corto con muy poco espacio entre paquetes y una alta frecuencia de repetición, mientras que el tren de paquetes de ILC es más largo, lo que hace que los DRs deban tener un radio mayor. Además, la alta luminosidad necesaria en ILC se consigue aumentando la carga del paquete de partículas, mientras que en CLIC se consigue reduciendo la emitancia del haz hasta valores sin precedentes, especialmente en el plano vertical: 5 nm en el caso de CLIC a una energía de 2.86 GeV, mientras que para ILC es 20 nm a una energía de 5 GeV. Esta emitancia vertical en CLIC se podría conseguir mediante dos pre-damping rings (PDRs) y dos DRs. Para transferir el haz de un anillo a otro, así como desde la fuente de electrones y positrones a los PDRs y desde los DRs a los linacs, se necesita un sistema de inyección y un sistema de extracción del haz en cada uno de los cuatro anillos. Estos sistemas de inyección o extracción (kickers) deben inyectar o extraer el haz de manera muy estable y afectar mínimamente al haz que circula. Estudios anteriores de los kickers de inyección y extracción para el desarrollo del ILC y del CLIC Test Facility 3 (CTF3), demostraron que el kicker electromagnético, conocido como stripline kicker, es el más adecuado para este tipo de operación. Este proyecto de tesis doctoral tiene como objetivo el desarrollo de la metodología necesaria para diseñar stripline kickers para aceleradores circulares de baja emitancia. En particular esta tesis se basa en el diseño, construcción y tests de laboratorio del stripline kicker para la extracción de haz de los DRs de CLIC, pero los estudios realizados pueden extenderse a los DRs de ILC o a cualquier otro anillo de baja emitancia. La primera parte de este trabajo de investigación se centra en el estudio y diseño del stripline kicker, consistente en dos electrodos dentro de un tubo cilíndrico de vacío. Con el fin de conseguir las especificaciones requeridas, para el diseño de este prototipo la autora propone un nuevo enfoque que no había sido utilizado hasta ahora en el estudio de Futuros Colisionadores Lineales (FLCs). Éste consiste en el estudio de los dos modos de operación que presentan dos líneas de transmisión acopladas, como es el caso del stripline kicker, analizando cómo varían diferentes parámetros en ambos modos de operación con la geometría de los electrodos, para las dos geometrías más ampliamentes usadas, electrodos planos y electrodos curvos. Estos primeros estudios se han realizado analíticamente y numéricamente usando el código de simulación de campos electromagnéticos en el dominio de la frecuencia HFSS. Estos estudios han sido: impedancia característica de las líneas de transmisión acopladas y homogeneidad del campo electromagnético. De este estudio se concluyó que sólo con los electrodos planos se cumplen las especificaciones de homogeneidad de campo, mientras que la adaptación de impedancias en ambos modos de operación no fueron del todo óptimas. Por este motivo, la autora ha propuesto una nueva geometría, llamada media luna, con la que se mejoró la adaptación de impedancias. Estas dos geometrías, electrodos planos y electrodos media luna, se estudiaron más en profundidad y se confrontaron los resultados para elegir la geometría más óptima. Los estudios realizados fueron los siguientes: la aparición de arcos eléctricos (rigidez dieléctrica) entre los electrodos y el tubo de vacío, la transmisión de potencia a través de los electrodos y la impedancia longitudinal y transversal que ve el haz de partículas al pasar a través del stripline kicker. Estos últimos estudios se realizaron con el programa de simulación de campos electromagnéticos en el dominio del tiempo CST, que permite simular el paso de un haz a través de una estructura. Al final de este estudio, se eligieron los electrodos media luna como la geometría más óptima para el kicker de extracción del haz de los DRs de CLIC. La segunda parte de este trabajo de tesis consiste en el estudio del resto de componentes, aparte de los electrodos y la cámara de vacío, que conforman un stripline kicker: los soportes de los electrodos y los pasamuros, así como los materiales y el estudio de las tolerancias. Los soportes convencionales no se han utilizado, y un nuevo diseño, consistente en cuatro anillos cerámicos, ha sido propuesto. Estos soportes permiten el ensamblaje de los electrodos fuera de la cámara de vacío, lo que asegura su paralelismo y posición angular antes de introducirlos en la cámara: ésta es la única manera de garantizar la uniformidad de campo. Además, debido al poco espacio entre los electrodos y la cámara de vacío los soportes convencionales no hubiesen podido utilizarse. El programa de simulación CST se ha utilizado para estudiar cómo estos anillos cerámicos, así como los pasamuros comerciales escogidos, afectan a la transmisión de potencia y a la impedancia de acoplamiento del haz. La tercera parte de la tesis comprende las medidas en laboratorio que han permitido corroborar los estudios analíticos y numéricos realizados previamente a bajas frecuencias. Las medidas realizadas han sido: parámetros de reflexión, impedancia longitudinal del haz, impedancia transversal del haz y fenómenos de arcos eléctricos para alto voltaje. Los resultados para los parámetros de reflexión y para la impedancia longitudinal del haz están de acuerdo con las simulaciones realizadas en la fase del diseño, mientras que para la impedancia transversal, sobre todo en el caso vertical, se necesitarán más estudios. Por otro lado, la aparición de arcos eléctricos a voltajes de unos ±10 kV en DC, hace que sean necesarias medidas con voltajes pulsados para garantizar la correcta operación del kicker una vez instalado en un acelerador. Gracias al profundo conocimiento adquirido durante todo este trabajo, también se presentan diferentes propuestas para kickers de nueva generación. Para finalizar la caracterización de este primer prototipo, en el futuro se realizarán medidas con haz en un acelerador, que ayudarán a estudiar la impedancia longitudinal y transversal del haz, tanto a bajas como a altas frecuencias. La construcción de sistemas de inyección y extracción más estables y con baja impedancia de haz, permitirá que haces de muy baja emitancia sean inyectados en los FLCs, aumentando así la probabilidad de colisión en el punto de interacción. Además, todos estos desarrollos serán de gran utilidad en otros aceleradores como por ejemplo futuras fuentes de luz sincrotrón y los Futuros Colisionadores Circulares (FCCs)

Photocatalytic behavior of silver vanadates: Microemulsion synthesis and post-reaction characterization

Silver vanadates with light absorption properties in the visible region were successfully prepared by a low temperature pathway (not exceeding 110°C) using an optimized microemulsion methodology. The resulting materials were evaluated as photocatalysts in Rhodamine B photodegradation and characterized before and after reaction. The silver vanadates displayed silver metallic nanoparticles decorating the surface. The as-prepared Ag3VO4 catalyst was the most active. Nevertheless, this silver vanadate suffered important changes during reaction. The initial structure evolves yielding a silver pyrovanadate, Ag4-V2O7, with a concomitant increase of the number and size of the silver metallic nanoparticles. The synergy between these Ag0 particles and the photoactivity of the Ag4V2O7 phase seems responsible of the high photoactivity of this materialThe authors thank the funding from MICINN Project CTQ2010-14872/BQ

Degradation of emerging pollutants in water under solar irradiation using novel TiO2-ZnO/clay nanoarchitectures

Emerging water pollutants, such as pharmaceuticals, are currently under study due to the increasing concern on the risks they pose on humans and the environment. Herein, solar photocatalytic technology is used for the degradation of model pharmaceuticals, including acetaminophen (ACE) and antipyrine (ANT), with novel TiO2-ZnO/clay nanoarchitectures. These photocatalysts are based on the heterojunction between TiO2-ZnO semiconductors and a delaminated layered clay. The structural, electronic and textural features of the photocatalysts were characterized by different techniques. The degradation rate has been checked under different conditions, including target compound and catalyst concentrations, intensity of the solar light and the combination of pharmaceuticals. ANT showed a higher degradation rate than ACE and in both cases the degradation was favored at low concentrations. The disappearance of both compounds was well described by a simple pseudo-first-order rate equation. Although both target compounds were almost completely removed, some TOC was still remaining corresponding to short-chain carboxylic acids and unidentified by-products with very low significance in terms of ecotoxicity. Scavengers were used to learn on the radical mechanism of the reaction and different behavior was observed for each target compound. The results of this study prove the ability and stability after several operation cycles of these novel photocatalysts to promote the degradation of these pollutants under solar light irradiationThe authors acknowledge the financial support from Spanish MINECO (project CTQ2013-41963-R). C.B. is indebted to the MINECO for a Ramon y Cajal postdoctoral contract. Thanks to Dr. Gamarra and the SAIUEx service for the TEM characterizatio

Dinamización de las Clases Prácticas en Aula en el Grado en Ingeniería Química

[EN] This communication deals with the dynamization of the practical classroom lessons of a theoretical subject of the Degree in Chemical Engineering by implementing simple measures to support the teaching-learning context. The first measure proposes to explain in detail the procedure to be followed for the development of the practical classroom lessons, providing in advance a script of the presentations that the students will have to develop in that sessions. As a fundamental measure, the interactive software Genially will be implemented as a new digital educational resource to make presentations. Careful time control will be carried out during the practical classes to encourage discussion and learning by the students and, as a last measure, a rubric evaluation system will be implemented for the presentations made in order to favour the evaluation and feedback of the students. This dynamization aims to generate the appropriate environment and climate during the practical classes in the classroom to increase student interest, assessment and overall performance.[ES] La presente comunicación atiende a la dinamización de las clases prácticas en aula de una asignatura teórica del Grado en Ingeniería Química implantando medidas sencillas que sirvan de apoyo en el contexto de la enseñanza-aprendizaje. La primera medida propone explicar con detalle el procedimiento a seguir para el desarrollo de las clases prácticas en aula, aportando con antelación un guion de las exposiciones que los alumnos tendrán que desarrollar en las clases prácticas en aula. Como medida fundamental, se implementará el software interactivo Genially como nuevo recurso educativo digital para que los alumnos realicen las presentaciones. Se llevará a cabo un cuidadoso control del tiempo durante las clases prácticas para fomentar el debate y aprendizaje de los alumnos y, como última medida, se implementará un sistema de evaluación por rúbrica de las exposiciones realizadas para favorecer la evaluación y retroalimentación de los alumnos. Esta dinamización pretende generar el ambiente y el clima adecuados durante las clases prácticas en aula que permitan incrementar el interés de los estudiantes por la asignatura, su valoración y su rendimiento global.Belver Coldeira, C.; Bedia García Matamoros, J. (2023). Dinamización de las Clases Prácticas en Aula en el Grado en Ingeniería Química. Editorial Universitat Politècnica de València. 570-580. https://doi.org/10.4995/INRED2023.2023.1653357058

Highly stable UiO-66-NH2 by the microwave-assisted synthesis for solar photocatalytic water treatment

This work introduces the novel use of a highly stable UiO-66-NH2 in water with a linker release less than 0.2‰ (per-mile) in a wide pH range. The MOF was prepared by a fast microwave-assisted method comparing for the first time the effect of two Zr precursors: Zr oxychloride and organic Zr alkoxide; with synthesis temperatures 120–180 ºC. The use of oxychloride as Zr precursor led to a MOF with bigger particle and crystal size than the Zr alkoxide. The sample prepared with ZrOCl2 at 140 ºC resulted in the best crystallinity, highest textural definition (area 875 m2 g−1, pore volume 0.39 cm3 g−1), good optical properties for solar radiation absorption (bandgap 2.88 eV), and the highest photoactivity to remove sulfamethoxazole in water. The activity of the optimum UiO-66-NH2 sample was assessed in a continuous flow experiment, testing the ability of the simultaneous degradation of a six pharmaceutical mixture fed at a more realistic environmental scenario (500 μg L−1 each). The MOF showed an outstanding stability over 20 h with no detectable release of linker and high removal efficiencyRafael Rodríguez Solís is grateful to the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities for his postdoctoral contract (Juan de la Cierva Formación, Ref. FJC2018-035513-I). Manuel Peñas Garzón acknowledges the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports for his predoctoral contract (Ref. FPU16/00576) contracts. This research was funded by the Spanish State Research Agency (PID2019-106186RB-100/AEI/10.13039/501100011033, Spain). The authors are also grateful to the supporting analyses provided by the external services of the Autonomous University of Madrid (SIdI), University of Extremadura (SAIUEx), University of Zaragoza (SAI), University of Málaga (SCAI) and Universidad Complutense of Madrid (CAI

Solar photocatalytic hydrogen production through metal sulfide/UiO-66-NH2 heterojunctions

The design of efficient photocatalysts for hydrogen production by water electrolysis under solar irradiation still remains a challenge. Herein, a series of binary heterojunctions comprising metal sulfides and a zirconium-based MOF were synthesized and employed as photocatalysts for hydrogen production under simulated solar light using different scavengers. The highest hydrogen production rate (64.0 μmol·g−1·h−1) was achieved using the CdS/UiO-66-NH2 heterojunction under cocatalyst-free conditions and using TEOA as a hole scavenger. A synergistic effect between the CdS and the UiO-66-NH2 was confirmed since the single semiconductors exhibited almost negligible hydrogen production. CdS/UiO-66-NH2 characterization revealed that the improved photocatalytic performance was due to the formation of a Type II heterojunction among both semiconductors, thus favouring the separation of photogenerated electron-hole pairs. The findings of this study offer a novel perspective on the development of advanced MOF-based photocatalysts for hydrogen production under solar lightPID2022-141056OB-I00, TED2021-129948B-I0

Microwave-assisted synthesis of NH2-MIL-125(Ti) for the solar photocatalytic degradation of aqueous emerging pollutants in batch and continuous tests

NH2-MIL-125(Ti) MOFs have been prepared by microwave-assisted synthesis under different conditions of temperature (140–200 ºC) and holding time (15 min to 4 h). The resulting materials have been tested as photocatalysts for the breakdown of six pharmaceuticals in aqueous solution under solar simulated irradiation. A full characterization of the solid samples by X Ray Diffraction, N2 adsorption-desorption, UV–visible DRS, and photoluminescence techniques was carried out. The MOF prepared at 200 ºC under 15 min microwave radiation displayed the best-defined crystalline structure and most developed porosity (1030 m2 g-1 BET surface area and 0.45 cm3 g-1 pore volume), with good optical properties for visible light absorption (bandgap 2.59 eV). This photocatalyst showed the best performance in the removal of diclofenac (complete conversion in 3 h; pseudo-first order rate constant of 1.11 ± 0.09 h-1) in batch tests. Further diclofenac photo-degradation experiments under continuous flow confirmed the high stability of the MOF with no loss of photocatalytic activity (10 h of time on stream). The degradation of a mixture of six other pharmaceutical compounds (acetaminophen, ciprofloxacin, tetracycline, sulfamethoxazole, diclofenac and ibuprofen) was also studied to learn more on the efficiency of the process against compounds of different chemical structureRafael Rodríguez Solís is grateful to the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities for his postdoctoral fellowship, Juan de la Cierva Formacion program (Ref. FJC2018–035513-I). This research was funded by the State Research Agency (PID2019–106186RB-I00/AEI/ 10.13039/501100011033, Spain). The authors are also grateful to the supporting analyses provided by the external services of the Autono mous University of Madrid (SIdI), University of Extremadura (SAIUEx), and University of Malaga (SCAI

Thermal post-treatments to enhance the water stability of NH2-MIL-125(Ti)

NH2-MIL-125(Ti) is a metal organic framework (MOF) based on Ti-oxo-clusters widely investigated in water-related applications. Such applications require MOFs with an excellent stability in the aqueous phase, but, despite this, the extent of MOFs’ degradation in water is still not yet fully understood. In this study, we report a quantitative study of the water stability of NH2-MIL125(Ti), analyzing the ligand release along the contact time in water. This study demonstrates that NH2-MIL-125(Ti) easily leached out over time while maintaining its structure. The effect of different thermal treatments applied to NH2-MIL-125(Ti) was investigated to enhance its water stability. The structural and textural properties of those modified MOFs were studied in detail and those maintaining the NH2-MIL-125(Ti) properties were exposed to aqueous medium. The analysis of the released ligand concentration in the filtrate can provide information on the water stability of this materialThis research was funded by Spanish MINECO (project CTQ2016-78576-R

Effect of activating agent on the properties of TiO2/activated carbon heterostructures for solar photocatalytic degradation of acetaminophen

Several activated carbons (ACs) were prepared by chemical activation of lignin with different activating agents (FeCl 3 , ZnCl 2 , H 3 PO 4 and KOH) and used for synthesizing TiO 2 /activated carbon heterostructures. These heterostructures were obtained by the combination of the activated carbons with a titania precursor using a solvothermal treatment. The synthesized materials were fully characterized (Wavelength-dispersive X-ray fluorescence (WDXRF), X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM), N2 adsorption-desorption, Fourier transform infrared (FTIR) and UV-visible diffuse reflectance spectra (UV-Vis DRS) and further used in the photodegradation of a target pharmaceutical compound (acetaminophen). All heterostructures were composed of anatase phase regardless of the activated carbon used, while the porous texture and surface chemistry depended on the chemical compound used to activate the lignin. Among all heterostructures studied, that obtained by FeCl 3 -activation yielded complete conversion of acetaminophen after 6 h of reaction under solar-simulated irradiation, also showing high conversion after successive cycles. Although the reaction rate was lower than the observed with bare TiO 2 , the heterostructure showed higher settling velocity, thus being considerably easier to recover from the reaction mediumThis research was funded by the financial support from Spanish MINECO (project CTQ2016-78576-R). M. Peñas-Garzón is indebted to Spanish MECD for FPU16/00576 predoctoral contrac