Studio di rivestimenti antiriflesso da sol-gel dip-coating per impianti solari termodinamici

Negli impianti utilizzati per la produzione di energia elettrica che sfruttano l'energia solare, quali la tecnologia solare a concentrazione (Solare Termodinamico) sviluppata da ENEA, per minimizzare le dispersioni di calore è necessaria una elevata selettività spettrale. Per ottimizzare l'efficienza dell'impianto è quindi necessario lo sviluppo di materiali innovativi, in grado di minimizzare la quantità di energia dispersa per riflessione. In questo studio, per incrementare la trasmittanza solare dei componenti in vetro presenti nei tubi ricevitori dell'impianto, sono state utilizzate tipologie diverse di rivestimenti antiriflesso (multistrato e a singolo strato poroso). I rivestimenti sono stati ottenuti mediante via umida, con tecnica di sol-gel dip-coating. I sol coprenti sono stati preparati da alcossidi o sali metallici precursori degli ossidi che costituiscono il rivestimento. Sono state approfondite sia la fase di sintesi dei sol coprenti, sia la fase di deposizione sul substrato, che ha richiesto la progettazione e realizzazione di una apparecchiatura prototipale, ossia di un dip-coater in grado di garantire un accurato controllo della velocità di emersione e dell'ambiente di deposizione (temperatura e umidità). Il materiale multistrato applicato su vetro non ha migliorato la trasmittanza del substrato nell'intervallo di lunghezze d'onda dello spettro solare, pur presentando buone caratteristiche antiriflesso nell'intervallo dell'UV-Vis. Al contrario, l'ottimizzazione del rivestimento a base di silice porosa, ha portato all'ottenimento di indici di rifrazione molto bassi (1.15 to 1.18) e ad un incremento della trasmittanza solare dal 91.5% al 96.8%, efficienza superiore agli attuali rivestimenti disponibili in commercio.

Applicazione ed integrazione di metodi di prospezione geofisica: studio idrogeofisico della Zona Insatura in condizioni idriche controllate

Il lavoro è incentrato sull’applicazione ed integrazione di differenti tecniche di indagine geofisica in campo ambientale e ingegneristico/archeologico. Alcuni esempi sono stati descritti al fine di dimostrare l’utilità delle metodologie geofisiche nella risoluzione di svariate problematiche. Nello specifico l’attenzione è stata rivolta all’utilizzo delle tecniche del Ground Penetrating Radar e del Time Domain Reflectometry in misure condotte su un corpo sabbioso simulante una Zona Insatura. L’esperimento è stato realizzato all’interno di un’area test costruita presso l’azienda agricola dell’Università La Tuscia di Viterbo. Hanno partecipato al progetto le Università di Roma Tre, Roma La Sapienza, La Tuscia, con il supporto tecnico della Sensore&Software. Nello studio è stato condotto un approccio definito idrogeofisico al fine di ottenere informazioni da misure dei parametri fisici relativi alla Zona Insatura simulata nell’area test. Il confronto e l’integrazione delle due differenti tecniche di indagine ha offerto la possibilità di estendere la profondità di indagine all’interno del corpo sabbioso e di verificare l’utilità della tecnica GPR nello studio degli effetti legati alle variazioni del contenuto d’acqua nel suolo, oltre a determinare la posizione della superficie piezometrica per i differenti scenari di saturazione. Uno specifico studio è stato realizzato sul segnale radar al fine di stabilire i fattori di influenza sulla sua propagazione all’interno del suolo. Il comportamento dei parametri dielettrici nelle condizioni di drenaggio e di imbibizione del corpo sabbioso è stato riprodotto attraverso una modellizzazione delle proprietà dielettriche ed idrologiche sulla base della dimensione, forma e distribuzione dei granuli di roccia e pori, nonché sulla base della storia relativa alla distribuzione dei fluidi di saturazione all’interno del mezzo. La modellizzazione è stata operata sulle basi concettuali del Differential Effective Medium Approximation.

Catalysts for H2 production

The research of new catalysts for the hydrogen production described in this thesis was inserted within a collaboration of Department of Industrial Chemistry and Materials of University of Bologna and Air Liquide (Centre de Recherche Claude-Delorme, Paris). The aim of the work was focused on the study of new materials, active and stable in the hydrogen production from methane, using either a new process, the catalytic partial oxidation (CPO), or a enhanced well-established process, the steam methane reforming (SMR). Two types of catalytic materials were examined: 1) Bulk catalysts, i.e. non-supported materials, in which the active metals (Ni and/or Rh) are stabilized inside oxidic matrix, obtained from perovskite type compounds (PVK) and from hydrotalcite type precursors (HT); 2) Structured catalysts, i.e. catalysts supported on materials having high thermal conductivity (SiC and metallic foams). As regards the catalytic partial oxidation, the effect of the metal (Ni and/or Rh), the role of the metal/matrix ratio and the matrix formulation of innovative catalysts obtained from hydrotalcite type precursors and from perovskites were examined. In addition, about steam reforming process, the study was carried out first on commercial type catalysts, examining the deactivation in industrial conditions, the role of the operating conditions and the activity of different type of catalysts. Then, innovative materials bulk (PVK and HT) and structured catalysts (SiC and metallic foam) were studied and a new preparation method was developed.

New materials for electrochemiluminescence

The study of electrochemiluminescence (ECL) involves photophysical and electrochemical aspects. Excited states are populated by an electrical stimulus. The most important applications are in the diagnostic field where a number of different biologically-relevant molecules (e.g. proteins and nucleic acids) can be recognized and quantified with a sensitivity and specificity previously not reachable. As a matter of fact the electrochemistry, differently to the classic techniques as fluorescence and chemiluminescence, allows to control the excited state generation spatially and temporally. The two research visits into A. J. Bard electrochemistry laboratories were priceless. Dr. Bard has been one of ECL pioneers, the first to introduce the technique and the one who discovered in 1972 the surprising emission of Ru(bpy)3 2+. I consider necessary to thank by now my supervisors Massimo and Francesco for their help and for giving me the great opportunity to know this unique science man that made me feel enthusiastic. I will never be grateful enough… Considering that the experimental techniques of ECL did not changed significantly in these last years the most convenient research direction has been the developing of materials with new or improved properties. In Chapter I the basics concepts and mechanisms of ECL are introduced so that the successive experiments can be easily understood. In the final paragraph the scopes of the thesis are briefly described. In Chapter II by starting from ECL experimental apparatus of Dr. Bard’s laboratories the design, assembly and preliminary tests of the new Bologna instrument are carefully described. The instrument assembly required to work hard but resulted in the introduction of the new technique in our labs by allowing the continuation of the ECL studies began in Texas. In Chapter III are described the results of electrochemical and ECL studies performed on new synthesized Ru(II) complexes containing tetrazolate based ligands. ECL emission has been investigated in solution and in solid thin films. The effect of the chemical protonation of the tetrazolate ring on ECL emission has been also investigated evidencing the possibility of a catalytic effect (generation of molecular hydrogen) of one of the complexes in organic media. Finally, after a series of preliminary studies on ECL emission in acqueous buffers, the direct interaction with calf thymus DNA of some complexes has been tested by ECL and photoluminescence (PL) titration. In Chapter IV different Ir(III) complexes have been characterized electrochemically and photophysically (ECL and PL). Some complexes were already well-known in literature for their high quantum efficiency whereas the remaining were new synthesized compounds containing tetrazolate based ligands analogous to those investigated in Chapt. III. During the tests on a halogenated complex was unexpectedly evidenced the possibility to follow the kinetics of an electro-induced chemical reaction by using ECL signal. In the last chapter (V) the possibility to use mono-use silicon chips electrodes as ECL analitycal devices is under investigation. The chapter begins by describing the chip structure and materials then a signal reproducibility study and geometry optimization is carried on by using two different complexes. In the following paragraphs is reported in detail the synthesis of an ECL label based on Ru(bpy)3 2+ and the chip functionalization by using a lipoic acid SAM and the same label. After some preliminary characterizations (mass spectroscopy TOF) has been demonstrated that by mean of a simple and fast ECL measurement it’s possible to confirm the presence of the coupling product SAM-label into the chip with a very high sensitivity. No signal was detected from the same system by using photoluminescence.