Electrochemical and photocatalytic reactions of polycyclic aromatic hydrocarbons investigated by raman spectroscopy

This paper presents the study of photochemical behavior of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), potential pollutants in secondary reactions in aerosols, through Raman spectroscopy compared with its electrochemical behavior. The PAHs studied include pyrene, anthracene, phenanthrene and fluorene. These were adsorbed onto TiO2 and irradiated with ultraviolet light (254 nm). Their electrochemical oxidation was studied by in situ Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) and led to the formation of carbonyl-containing products. Oxidized intermediates bearing the C=O group were also formed during photodegradation. The joint analysis of the photodegradation data with those produced by electrochemical means - using spectroscopic techniques for the identification and characterization of the products - revealed the formation of identical products for anthracene, but not for pyrene. A reasonable explanation for this difference in results is that photochemical and electrochemical oxidation reactions proceed via different mechanisms. While photocatalytic degradation over TiO2 is initiated by hydroxyl radicals, electrochemical oxidation is initiated by the direct electron transfer from adsorbed PAH to the electrode, generating PAH cation radicals that undergo subsequent reactions.Este trabalho apresenta o estudo do comportamento fotoquímico de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs), potenciais poluentes secundários em reações em aerossóis, através de espectroscopia Raman em comparação com seu comportamento eletroquímico. Os HPAs estudados incluem pireno, antraceno, fenantreno e fluoreno. Esses foram adsorvidos sobre o catalisador TiO2 e irradiados com radiação ultravioleta (254 nm). A oxidação eletroquímica foi estudada via espectroscopia Raman intensificada pela superfície (SERS) in situ e levou à formação de produtos carbonilados. Intermediários oxidados contendo o grupo C=O foram também observados nos processos de fotodegradação. A comparação entre os intermediários formados nos processos fotoquímicos e eletroquímicos revela produtos idênticos para o antraceno, mas não para o pireno. Esse resultado advém da diferença de mecanismo para esses dois processos. A degradação fotocatalítica sobre TiO2 é iniciada por radicais hidroxila, enquanto a oxidação eletroquímica é iniciada por transferência eletrônica direta com o HPA adsorvido no eletrodo, gerando cátions radicais do HPA que desencadeiam as reações subseqüentes.FAPESPCNP

Cu nanoparticles enable plasmonic-improved silicon photovoltaic devices

This work examines the effect of copper nanoparticles (Cu NPs) on the photocurrent efficiency of silicon photovoltaic (Si PV) devices. An optimized synthesis of stable Cu NPs is reported together with a procedure for their immobilization on the Si PV surface. A comprehensive analysis of the photocurrent and power dependence of the Cu NPs surface coverage and size is presented. A decrease in photoconversion was observed for wavelengths shorter than similar to 500 nm, due to the Cu interband absorption. In the low surface coverage limit, where the level of aggregation was found to be low, the surface plasmon resonance absorption dominates leading to a modest effect on the photocurrent response. As the number of aggregates increased with the surface coverage, the photocurrent efficiency also increased, and a maximum enhancement power conversion of 16% was found for a 54 +/- 6 NPs per mu m(2) PV cell. This enhancement was attributed to SPR light scattering and trapping into the Si PV device. Higher surface coverage yielded numerous aggregates which acted as a bulk coating and caused a decrease in both photocurrent and power measurements.Department of Foreign Affairs and International Trade Canada (DFAIT) through the Emerging Leaders in the Americas (ELAP) programDepartment of Foreign Affairs and International Trade Canada (DFAIT) through the Emerging Leaders in the Americas (ELAP) programCIAMFAPESP programCIAM-FAPESP programCNPqCNPqNSERCNSERCUniversity of VictoriaUniversity of Victori

Surface-enhanced Raman spectroscopy studies of organophosphorous model molecules and pesticides

This work reports the analytical application of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) in the trace analysis of organophosphorous pesticides (trichlorfon and glyphosate) and model organophosphorous compounds (dimethyl methylphosphonate and o-ethyl methylphosphonothioate) bearing different functional groups. SERS measurements were carried out using Ag nanocubes with an edge square dimension of ca. 100 nm as substrates. Density functional theory (DFT) with the B3LYP functional was used for the optimization of ground state geometries and simulation of Raman spectra of the organophosphorous compounds and their silver complexes. Adsorption geometries and marker bands were identified for each of the investigated compound. Results indicate the usefulness of SERS methodology for the sensitive analyses of organophosphorous compounds through the use of vibrational spectroscopy.FAPESPFAPESPCNPqCNPqCAPESCAPE

Som, sentido e paisagem sonora n'A cidade e as serras: análise de uma reportagem radiofónica

Dissertação apresentada à Escola Superior de Comunicação Social como parte dos requisitos para obtenção de grau de mestre em Jornalismo.Dos três meios de comunicação tradicionais, a rádio apresenta-se como aquele em que a investigação académica é quantitativamente menos significativa. Esta constatação é verdadeira para o panorama nacional, mas também internacional. As análises denotam uma maior preponderância para o aprofundamento de estudos relativos à informação que é veiculada pelo meio radiofónico, mas pouco interesse tem existido para a questão da relação criativa implicada entre o ouvinte e o som. A presente dissertação tem como principal objectivo destacar o poder da sonoplastia no desencadear de uma multiplicidade de significações. Desta forma, pretende-se explorar a estética sonora de uma reportagem radiofónica sem nunca esquecer o modo como o som complementa a palavra falada. Para tal, analisar-se-á a peça A Cidade e as Serras, da autoria de João Paulo Guerra, construída com base num dos últimos romances de Eça de Queirós. Ao nível sonoro, o enfoque desta investigação privilegiará não só a abordagem da terminologia específica que fundamenta o termo soundscape, mas também a sua aplicabilidade ao jornalismo radiofónico e sobretudo o modo como a riqueza da prosa queirosiana foi preservada e simultaneamente convertida em paisagem sonora

The contribution of the charge transfer effect for SERS in electrochemical environments

Neste trabalho estudamos o efeito SERS de moléculas adsorvidas em sistemas eletroquímicos em termos da participação do mecanismo de transferência de carga na intensificação total observada. Desenvolvemos um modelo para o mecanismo químico de transferência de carga assitido por fótons, de maneira a explicar a variação do potencial de máxima intensificação SERS (Vmax) com a energia da radiação excitante. O modelo permite também o uso da expressão para o espalhamento Raman no domínio do tempo para o cálculo de perfis de excitação SERS (intensidade SERS versus potencial aplicado) de moléculas adsorvidas em interfaces eletroquímicas. Este método de cálculo dos perfis de excitação SERS foi aplicado para os casos da piridina e do íon complexo [Fe2(CN)104,4\'-bpy]6- em eletrodo de prata. Os resultados mostram existir uma boa relação entre os perfis calculados e os obtidos experimentalmente. Como resultado dos cálculos efetuados, o modelo fornece ainda dados sobre o deslocamento das curvas de poço potencial dos estados excitados envolvidos nos processos de transferência de carga assistidos por fótons. Nos capítulos seguintes, estudamos algumas conseqüências deste modelo, e sua aplicação em diferentes sistemas químicos. Um dos sistemas estudados foi o íon complexo [Ru(bpy)2viol]+ adsorvido em eletrodo de prata. Observa-se que a intensidade relativa dos modos vibracionais de cada um dos ligantes varia com o potencial aplicado ao eletrodo. Esses resultados podem ser explicados considerando-se dois processos de transferência de carga superficie → adsorbato assistidos por fótons. O primeiro deles deve-se a uma transição envolvendo estados doadores próximos ao nível de Fermi do metal (EF) e estados receptores (orbitais π*) localizados no violurato. O segundo envolve estados doadores em EF e orbitais π* da bpy. A energia da transição de transferência de carga metal → adsorbato varia com o potencial aplicado. Existe portanto a possibilidade de se alcançar diferentes estados eletrônicos excitados do adsorbato, intensificando, seletivamente, diferentes cromóforos com um único comprimento de onda. Assim, através da variação do potencial aplicado ao eletrodo é possível modular a transição de transferência de carga Ag → complexo de modo a envolver cada um dos diferentes ligantes. Estudamos também o mecanismo envolvido no efeito SERS da molécula FePc (ftalocianina de ferro) em eletrodo de prata. Nesse sistema, foi possível apresentar uma versão mais detalhada para o efeito químico envolvido na intensificação SERS incluindo o efeito de múltiplos estados excitados e acoplamento vibrônico, enfatizando as relações de simetria e overlap de funções de onda que regem os mecanismos de intensificação Raman ressonante. A excitação dos espectros SERS em comprimentos de onda fora da condição de Raman ressonante pode intensificar modos vibracionais de simetria a2g (não permitidos no espectro Raman normal) desde que o potencial aplicado esteja próximo à condição de ressonância para uma transição de transferência de carga superficie/adsorbato. O mecanismo químico de intensificação envolvido no efeito SERS desse sistema pode ser descrito como um processo de transferência de carga modulado pelo potencial, envolvendo dois estados doadores da FePc e um estado aceptor localizado na superficie do eletrodo de prata. Enquanto os modos totalmente simétricos (a1g) são intensificados por um mecanismo de Franck-Condon, os modos a2g têm a simetria apropriada para acoplar dois estados eletrônicos de simetria A1u e A2u, sendo intensificados através do mecanismo de Herzberg- Teller. Os efeitos da natureza química do solvente, e das interações solvente-soluto nas geometrias de adsorção e nas posições dos estados eletrônicos do adsorbato, são analisados para os ciano complexos Fe(phen)2(CN)2 e [Fe2(BPE)(CN)10]6-. Os resultados obtidos demonstram a influência decisiva da natureza química de solventes e eletrólitos suporte na espectroscopia de espécies adsorvidas em interfaces eletroquímicas. De fato, a natureza das interações solvente-adsorbato ou eletrólito-adsorbato podem determinar a ligação à superficie, e, desta maneira, intensificação seletiva de modos vibracionais da molécula pode ser obtida. A partir do estudo do processo de transferência de carga entre a superficie e os complexos adsorvidos através dos perfis de excitação SERS foi possível, em alguns casos, mapear os níveis de energia do adsorbato com relação ao nível de Fermi do metal.In this work, attention has been given to systems in which the charge transfer (CT) mechanism is contributing to the enhancement of the Raman scattering of species adsorbed on metal surfaces in order to address the participation of a resonance Raman effect on this part of the total enhancement. A model for the adsorbate-metal surface interaction and the charge transfer mechanism for surface-enhanced Raman scattering (SERS) is presented. The fundamental observation behind the currently proposed model is that ali previous theories indicate that Raman intensity should be at maximum when the incident laser frequency is resonant with a surface/adsorbate charge transfer band. This fact leads to the conclusion that this aspect of the chemical effect may be due to a resonance Raman mechanism. Therefore, for such mechanism to be valid, the chemical effect of SERS must follow the already well established principies of resonance Raman theory. In this model, the metal surface provides a source of electrons that may, upon interaction with light, flow into and out of the adsorbed species. Based on this model we have proposed a formalism derived from the time-domain description of the resonance Raman effect that describes the dependence of the SERS intensities of molecules adsorbed in electrochemical interfaces upon the applied potential. This approach accounts for the enhancement of totally symmetric modes via a Franck-Condon mechanism, and only one electronic excited state of the adsorbate/surface system is considered. The analytical expression derived to calculate the SERS intensity versus applied potential profiles and their dependence on the exciting radiation has been applied for pyridine and for the ion complex [Fe2(CN)10bpy]6- adsorbed on a silver electrode. A good agreement between calculated and experimental excitation profiles have been obtained for both investigated species. Resonance Raman spectroscopy is also an electronic spectroscopy, and, as presented in this work, the SERS effect, or part of it, is also an electronic spectroscopy. Its intensity contains, therefore, information about the structure of the excited electronic state involved in the charge transfer process. This information is provided by the calculation of the SERS excitation profiles according to the derived expression in the form of ΔK values. The remaining sections of this work are dedicated to the study of the SERS effect of coordination compounds adsorbed on silver electrodes. One of the investigated systems is the mixed ligand ion complex [Ru(bpy)2viol]+. The SERS measurements have shown that the vibrational modes of both ligands can be selectively enhanced by changing the electrochemical applied potential at a fixed laser excitation energy. This result indicates the presence of two different metal to adsorbate photon assisted charge transfer processes. The first one involves a density of donor states near the Fermi level (EF) of the metal and na acceptor state localized on the violurate ligand, while the second process involves na acceptor state localized on the bpy ligand. These results demonstrate the possibility of reaching different excited electronic states of molecules adsorbed on electrode surfaces, selectively enhancing different chromofores by changing the applied potential and of assigning electronic charge transfer transitions based on SERS results. In order to provide a more detailed description of the charge transfer mechanism of enhancement working in the SERS effect of adsorbed molecules, including the role of multiple excited electronic states, vibronic coupling and symmetry selection rules, the SERS effect of iron phthalocyanine is discussed. The charge transfer mechanism of enhancement in this system is characterized as a potential modulated charge transfer process involving two donor states at the FePc and an acceptor state at the silver electrode surface. Excitation of the SERS spectra at wavelengths off resonance with the Q-band may enhance the a2g vibrational modes (non allowed modes at normal Raman condition), via a Herzberg-Teller mechanism, providing that the applied potential is dose to the resonance condition for the adsorbate to metal charge transfer transition. The effects of the chemical nature of the solvent in the adsorption geometry and in the position of the electronic states of adsorbates is discussed for the cyano complexes Fe(phen)2(CN)2 and [Fe2(BPE)(CN)10]6-. The results obtained have demonstrated the decisive role played by the chemical nature of solvents and supporting electrolytes in the surface-enhanced spectroscopy of species adsorbed at electrochemical interfaces. In fact, the nature of solvent or electrolyte - molecule interaction can determine the bonding to the surface, and therefore, selective enhancement of vibrational modes within a molecule can be accomplished. Based on the charge transfer processes between the surface and the adsorbed molecules probed by the SERS excitation profiles, it has been possible, in some cases, to determine the position of the energy levels of the adsorbate in relation to the Fermi level of the metal electrode

The contribution of the charge transfer effect for SERS in electrochemical environments

Neste trabalho estudamos o efeito SERS de moléculas adsorvidas em sistemas eletroquímicos em termos da participação do mecanismo de transferência de carga na intensificação total observada. Desenvolvemos um modelo para o mecanismo químico de transferência de carga assitido por fótons, de maneira a explicar a variação do potencial de máxima intensificação SERS (Vmax) com a energia da radiação excitante. O modelo permite também o uso da expressão para o espalhamento Raman no domínio do tempo para o cálculo de perfis de excitação SERS (intensidade SERS versus potencial aplicado) de moléculas adsorvidas em interfaces eletroquímicas. Este método de cálculo dos perfis de excitação SERS foi aplicado para os casos da piridina e do íon complexo [Fe2(CN)104,4\'-bpy]6- em eletrodo de prata. Os resultados mostram existir uma boa relação entre os perfis calculados e os obtidos experimentalmente. Como resultado dos cálculos efetuados, o modelo fornece ainda dados sobre o deslocamento das curvas de poço potencial dos estados excitados envolvidos nos processos de transferência de carga assistidos por fótons. Nos capítulos seguintes, estudamos algumas conseqüências deste modelo, e sua aplicação em diferentes sistemas químicos. Um dos sistemas estudados foi o íon complexo [Ru(bpy)2viol]+ adsorvido em eletrodo de prata. Observa-se que a intensidade relativa dos modos vibracionais de cada um dos ligantes varia com o potencial aplicado ao eletrodo. Esses resultados podem ser explicados considerando-se dois processos de transferência de carga superficie → adsorbato assistidos por fótons. O primeiro deles deve-se a uma transição envolvendo estados doadores próximos ao nível de Fermi do metal (EF) e estados receptores (orbitais π*) localizados no violurato. O segundo envolve estados doadores em EF e orbitais π* da bpy. A energia da transição de transferência de carga metal → adsorbato varia com o potencial aplicado. Existe portanto a possibilidade de se alcançar diferentes estados eletrônicos excitados do adsorbato, intensificando, seletivamente, diferentes cromóforos com um único comprimento de onda. Assim, através da variação do potencial aplicado ao eletrodo é possível modular a transição de transferência de carga Ag → complexo de modo a envolver cada um dos diferentes ligantes. Estudamos também o mecanismo envolvido no efeito SERS da molécula FePc (ftalocianina de ferro) em eletrodo de prata. Nesse sistema, foi possível apresentar uma versão mais detalhada para o efeito químico envolvido na intensificação SERS incluindo o efeito de múltiplos estados excitados e acoplamento vibrônico, enfatizando as relações de simetria e overlap de funções de onda que regem os mecanismos de intensificação Raman ressonante. A excitação dos espectros SERS em comprimentos de onda fora da condição de Raman ressonante pode intensificar modos vibracionais de simetria a2g (não permitidos no espectro Raman normal) desde que o potencial aplicado esteja próximo à condição de ressonância para uma transição de transferência de carga superficie/adsorbato. O mecanismo químico de intensificação envolvido no efeito SERS desse sistema pode ser descrito como um processo de transferência de carga modulado pelo potencial, envolvendo dois estados doadores da FePc e um estado aceptor localizado na superficie do eletrodo de prata. Enquanto os modos totalmente simétricos (a1g) são intensificados por um mecanismo de Franck-Condon, os modos a2g têm a simetria apropriada para acoplar dois estados eletrônicos de simetria A1u e A2u, sendo intensificados através do mecanismo de Herzberg- Teller. Os efeitos da natureza química do solvente, e das interações solvente-soluto nas geometrias de adsorção e nas posições dos estados eletrônicos do adsorbato, são analisados para os ciano complexos Fe(phen)2(CN)2 e [Fe2(BPE)(CN)10]6-. Os resultados obtidos demonstram a influência decisiva da natureza química de solventes e eletrólitos suporte na espectroscopia de espécies adsorvidas em interfaces eletroquímicas. De fato, a natureza das interações solvente-adsorbato ou eletrólito-adsorbato podem determinar a ligação à superficie, e, desta maneira, intensificação seletiva de modos vibracionais da molécula pode ser obtida. A partir do estudo do processo de transferência de carga entre a superficie e os complexos adsorvidos através dos perfis de excitação SERS foi possível, em alguns casos, mapear os níveis de energia do adsorbato com relação ao nível de Fermi do metal.In this work, attention has been given to systems in which the charge transfer (CT) mechanism is contributing to the enhancement of the Raman scattering of species adsorbed on metal surfaces in order to address the participation of a resonance Raman effect on this part of the total enhancement. A model for the adsorbate-metal surface interaction and the charge transfer mechanism for surface-enhanced Raman scattering (SERS) is presented. The fundamental observation behind the currently proposed model is that ali previous theories indicate that Raman intensity should be at maximum when the incident laser frequency is resonant with a surface/adsorbate charge transfer band. This fact leads to the conclusion that this aspect of the chemical effect may be due to a resonance Raman mechanism. Therefore, for such mechanism to be valid, the chemical effect of SERS must follow the already well established principies of resonance Raman theory. In this model, the metal surface provides a source of electrons that may, upon interaction with light, flow into and out of the adsorbed species. Based on this model we have proposed a formalism derived from the time-domain description of the resonance Raman effect that describes the dependence of the SERS intensities of molecules adsorbed in electrochemical interfaces upon the applied potential. This approach accounts for the enhancement of totally symmetric modes via a Franck-Condon mechanism, and only one electronic excited state of the adsorbate/surface system is considered. The analytical expression derived to calculate the SERS intensity versus applied potential profiles and their dependence on the exciting radiation has been applied for pyridine and for the ion complex [Fe2(CN)10bpy]6- adsorbed on a silver electrode. A good agreement between calculated and experimental excitation profiles have been obtained for both investigated species. Resonance Raman spectroscopy is also an electronic spectroscopy, and, as presented in this work, the SERS effect, or part of it, is also an electronic spectroscopy. Its intensity contains, therefore, information about the structure of the excited electronic state involved in the charge transfer process. This information is provided by the calculation of the SERS excitation profiles according to the derived expression in the form of ΔK values. The remaining sections of this work are dedicated to the study of the SERS effect of coordination compounds adsorbed on silver electrodes. One of the investigated systems is the mixed ligand ion complex [Ru(bpy)2viol]+. The SERS measurements have shown that the vibrational modes of both ligands can be selectively enhanced by changing the electrochemical applied potential at a fixed laser excitation energy. This result indicates the presence of two different metal to adsorbate photon assisted charge transfer processes. The first one involves a density of donor states near the Fermi level (EF) of the metal and na acceptor state localized on the violurate ligand, while the second process involves na acceptor state localized on the bpy ligand. These results demonstrate the possibility of reaching different excited electronic states of molecules adsorbed on electrode surfaces, selectively enhancing different chromofores by changing the applied potential and of assigning electronic charge transfer transitions based on SERS results. In order to provide a more detailed description of the charge transfer mechanism of enhancement working in the SERS effect of adsorbed molecules, including the role of multiple excited electronic states, vibronic coupling and symmetry selection rules, the SERS effect of iron phthalocyanine is discussed. The charge transfer mechanism of enhancement in this system is characterized as a potential modulated charge transfer process involving two donor states at the FePc and an acceptor state at the silver electrode surface. Excitation of the SERS spectra at wavelengths off resonance with the Q-band may enhance the a2g vibrational modes (non allowed modes at normal Raman condition), via a Herzberg-Teller mechanism, providing that the applied potential is dose to the resonance condition for the adsorbate to metal charge transfer transition. The effects of the chemical nature of the solvent in the adsorption geometry and in the position of the electronic states of adsorbates is discussed for the cyano complexes Fe(phen)2(CN)2 and [Fe2(BPE)(CN)10]6-. The results obtained have demonstrated the decisive role played by the chemical nature of solvents and supporting electrolytes in the surface-enhanced spectroscopy of species adsorbed at electrochemical interfaces. In fact, the nature of solvent or electrolyte - molecule interaction can determine the bonding to the surface, and therefore, selective enhancement of vibrational modes within a molecule can be accomplished. Based on the charge transfer processes between the surface and the adsorbed molecules probed by the SERS excitation profiles, it has been possible, in some cases, to determine the position of the energy levels of the adsorbate in relation to the Fermi level of the metal electrode