Crescita e analisi strutturale di film nanoparticellari di titania

Il lavoro di questa tesi è incentrato sulla crescita e lo studio delle proprietà strutturali di sistemi nanostrutturati di titanio e ossido di titanio, prodotti mediante la tecnica della condensazione in gas inerte. Lo studio è finalizzato in particolare ad ottenere un materiale idoneo per la produzione di idrogeno tramite la foto-elettrolisi. Nel primo capitolo viene descritto a livello teorico il processo di scissione dell’acqua all’interno di celle foto-elettrochimiche, in cui viene impiegato il TiO2 (titania) come foto-anodo. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnica di crescita, viene descritta la macchina utilizzata illustrandone vantaggi e limitazioni. Inoltre viene fornita una descrizione teorica del tipo di crescita che avviene all’interno della camera di evaporazione. Allo scopo di comprendere meglio questi processi, vengono riportati nel capitolo 3 alcuni studi, basati su principi primi, riguardanti la stabilità di fase e le trasformazioni di fase per i tre principali polimorfi del TiO2. Nel capitolo 4 sono illustrate le tecniche impiegate per l’indagine strutturale: diffrazione e assorbimento di raggi X con relativa analisi dati, microscopia elettronica a scansione. Prima di misurare l’attività fotocatalitica dei campioni di nanoparticelle di titania, è necessario condurre delle misure di fotocorrente in una cella foto-elettrochimica, i risultati di queste analisi di tipo funzionale sono presentati nel capitolo 5. Nel capitolo 6 sono riportate le conclusioni del lavoro di tesi.

Approccio colloidale per la preparazione di fotocatalizzatori nanostrutturati a base di TiO2

Oggigiorno si osserva a livello mondiale un continuo aumento dei consumi di acqua per uso domestico, agricolo ed industriale che dopo l’impiego viene scaricata nei corpi idrici (laghi, fiumi, torrenti, bacini, ecc) con caratteristiche chimico fisiche ed organolettiche completamente alterate, necessitando così di specifici trattamenti di depurazione. Ricerche relative a metodi di controllo della qualità dell’acqua e, soprattutto, a sistemi di purificazione rappresentano pertanto un problema di enorme importanza. I trattamenti tradizionali si sono dimostrati efficienti, ma sono metodi che operano normalmente trasferendo l’inquinante dalla fase acquosa contaminata ad un’altra fase, richiedendo perciò ulteriori processi di depurazione. Recentemente è stata dimostrata l’efficacia di sistemi nano strutturati come TiO2-Fe3O4 ottenuto via sol-gel, nella foto-catalisi di alcuni sistemi organici. Questo lavoro di tesi è rivolto alla sintesi e caratterizzazione di un catalizzatore nanostrutturato composito costituito da un core di Fe3O4 rivestito da un guscio di TiO2 separate da un interstrato inerte di SiO2, da utilizzare nella foto-catalisi di sistemi organici per la depurazione delle acque utilizzando un metodo di sintesi alternativo che prevede un “approccio” di tipo colloidale. Partendo da sospensioni colloidali dei diversi ossidi, presenti in commercio, si è condotta la fase di deposizione layer by layer via spray drying, sfruttando le diverse cariche superficiali dei reagenti. Questo nuovo procedimento permette di abbattere i costi, diminuire i tempi di lavoro ed evitare possibili alterazioni delle proprietà catalitiche della titania, risultando pertanto adatto ad una possibile applicazione su scala industriale. Tale sistema composito consente di coniugare le proprietà foto-catalitiche dell’ossido di titanio con le proprietà magnetiche degli ossidi di ferro permettendo il recupero del catalizzatore a fine processo. Il foto-catalizzatore è stato caratterizzato durante tutte la fasi di preparazione tramite microscopia SEM e TEM, XRF, Acusizer, spettroscopia Raman e misure magnetiche. L’attività foto-calitica è stata valutata con test preliminari utilizzando una molecola target tipo il rosso di metile in fase acquosa. I risultati ottenuti hanno dimostrato che il sistema core-shell presenta inalterate sia le proprietà magnetiche che quelle foto-catalitiche tipiche dei reagenti.

Un nuovo processo per la sintesi di acroleina e acido acrilico da glicerolo

La trasformazione di glicerolo ad acido acrilico può essere un fattore importante per la valorizzazione del processo di produzione di biodiesel, il quale prevede la coproduzione di enormi quantità di glicerolo. La sintesi di acido acrilico in un unico step è stata studiata attraverso vari catalizzatori solidi bifunzionali di diversa natura, contenenti proprietà acide e redox. I catalizzatori devono avere un’adeguata acidità di Brønsted per promuovere la trasformazione di glicerolo ad acroleina, mentre le proprietà ossidanti, necessarie per la sintesi di acido acrilico sono ottenute mediante l’inserimento di un metallo ossidante nella struttura. Si vuole quindi sintetizzare e testare una serie di catalizzatori che mostrino questa bifunzionalità in grado di soddisfare requisiti di attività e selettività nei confronti della reazioni . Per questo studio sono stati sintetizzati e caratterizzati ossidi misti di W/V, nella forma di aggregati dispersi sulla titania ed ossidi misti di Zr/Nb/V in struttura bulk. Sono stati quindi eseguiti dei test di reattività in fase gas ed in presenza di ossigeno utilizzando un reattore tubolare in quarzo a letto fisso.

Studio e sviluppo di tecniche per la produzione di nanocompositi a matrice di alluminio

Foundry aluminum alloys play a fundamental role in several industrial fields, as they are employed in the production of several components in a wide range of applications. Moreover, these alloys can be employed as matrix for the development of Metal Matrix Composites (MMC), whose reinforcing phases may have different composition, shape and dimension. Ceramic particle reinforced MMCs are particular interesting due to their isotropic properties and their high temperature resistance. For this kind of composites, usually, decreasing the size of the reinforcing phase leads to the increase of mechanical properties. For this reason, in the last 30 years, the research has developed micro-reinforced composites at first, characterized by low ductility, and more recently nano-reinforced ones (the so called metal matrix nanocomposite, MMNCs). The nanocomposites can be obtained through several production routes: they can be divided in in-situ techniques, where the reinforcing phase is generated during the composite production through appropriate chemical reactions, and ex situ techniques, where ceramic dispersoids are added to the matrix once already formed. The enhancement in mechanical properties of MMNCs is proved by several studies; nevertheless, it is necessary to address some issues related to each processing route, as the control of process parameters and the effort to obtain an effective dispersion of the nanoparticles in the matrix, which sometimes actually restrict the use of these materials at industrial level. In this work of thesis, a feasibility study and implementation of production processes for Aluminum and AlSi7Mg based-MMNCs was conducted. The attention was focused on the in-situ process of gas bubbling, with the aim to obtain an aluminum oxide reinforcing phase, generated by the chemical reaction between the molten matrix and industrial dry air injected in the melt. Moreover, for what concerns the ex-situ techniques, stir casting process was studied and applied to introduce alumina nanoparticles in the same matrix alloys. The obtained samples were characterized through optical and electronic microscopy, then by micro-hardness tests, in order to evaluate possible improvements in mechanical properties of the materials.

Selective photo-oxidation of cellobiose with tio2-supported metal nanoparticles

Upgrade of biomass to valuable chemicals is a central topic in modern research due to the high availability and low price of this feedstock. For the difficulties in biomass treatment, different pathways are still under investigation. A promising way is in the photodegradation, because it can lead to greener transformation processes with the use of solar light as a renewable resource. The aim of my work was the research of a photocatalyst for the hydrolysis of cellobiose under visible irradiation. Cellobiose was selected because it is a model molecule for biomass depolymerisation studies. Different titania crystalline structures were studied to find the most active phase. Furthermore, to enhance the absorption of this semiconductor in the visible range, noble metal nanoparticles were immobilized on titania. Gold and silver were chosen because they present a Surface Plasmon Resonance band and they are active metals in several photocatalytic reactions. The immobilized catalysts were synthesized following different methods to optimize the synthetic steps and to achieve better performances. For the same purpose the alloying effect between gold and silver nanoparticles was examined.

Crescita di nanoparticelle in flusso di gas inerte

Lo scopo della seguente tesi è quello di illustrare la disposizione dei campioni di sistemi binari Mg Pd e di deposizioni singole di Ti, nell’abito di due progetti di ricerca, l’SSHS, Solide State Hydrogen Storage nell’ambito dell’Azione COST, e la produzione di titania (TiO2) per la fotocatalisi, sintetizzati in differenti reggimi di flusso di gas d’He, realizzando la crescita con il metodo IGC. Sono state illustrate le nuove proprietà e i metodi di formazione dei materiali nanostrutturati, per poi passare alla descrizione dell’apparato dove sono stati prodotti i campioni, con la conseguente spiegazione della progettazione del controllore di flusso dei sistemi di alimentazione e interfacciamento di quest’ultimo. Dopo un’accurata analisi al microscopio elettronico, `e stata descritta la morfologia dei campioni a due diversi reggimi di flusso di gas He, per i campioni di Mg Pd non sono state apprezzate differenze al variare del flusso, per il Ti, invece, si può notare una variazione morfologica legata alle dimensioni.

Sintesi e caratterizzazione di film nanoparticellari di biossido di titanio drogato con vanadio

Il lavoro di questa tesi è incentrato sulla sintesi di film nanoparticellari di TiO2 con drogaggio di vanadio e analisi delle loro proprietà, prodotti tramite la tecnica IGC. Lo studio è finalizzato ad ottenere un materiale idoneo per la costruzione di fotoelettrodi da utilizzare per la produzione di idrogeno tramite la fotoelettrolisi dell'acqua. Si è impiegata la titania perché è uno dei materiali più promettenti grazie alla sua facilità di fabbricazione, il basso costo, la resistenza alla corrosione in soluzioni elettrolitiche e alla fotocorrosione e alle sue buone proprietà fotocatalitiche. Il drogaggio di vanadio rappresenta una possibile soluzione dei principali problemi che affliggono il materiale, come lo scarso assorbimento del range visibile e la rapida ricombinazione dei portatori di carica. Nel primo capitolo è presente una breve descrizione teorica del processo di produzione di idrogeno tramite split fotocatalitico dell'acqua all'interno di PEC nelle quali la TiO2 è utilizzata come fotoanodo. Nel secondo capitolo è presente una breve digressione sulle proprietà morfologico-strutturali, cristalline, elettroniche e sulla stabilità e le trasformazioni di fase dei principali polimorfi della TiO2. Infine una descrizione del sistema Titanio-Vanadio. Nel terzo capitolo viene presentato il sistema di crescita sia illustrando la teoria che sta dietro alla tecnica che descrivendo nei dettagli l'apparato IGC. Vengono infine presentati i campioni sintetizzati durante questo lavoro di tesi. Nel quarto capitolo vengono presentati i risultati delle indagini condotte per determinare le proprietà dei nostri campioni. E' stata dapprima effettuata un'analisi morfologica con un SEM e una semi-quantitativa con l'EDX. Sono state determinate le proprietà strutturali e la presenza delle fasi cristalline, a diversi trattamenti termici, con l'XRD. Si sono poi testate le proprietà ottiche e in particolare dell'assorbimento con misure di trasmittanza spettrale. Infine si è caratterizzata la struttura locale elettronica e cristallina tramite XAS e le dinamiche di rilassamento dei portatori di carica con TR-XAS.

Selective photo-oxidation of glucose

Biomass transformation into high-value chemicals has attracted attention according to the “green chemistry” principles. Low price and high availability make biomass one of the most interesting renewable resources as it provides the means to create sustainable alternatives to the oil-derived building blocks of the chemical industry In recent year, the need for alternative environmentally friendly routes to drive chemical reactions has in photocatalytic processes an interesting way to obtain valuable chemicals from various sources using the solar light as energy source. The purpose of this work was to use supported noble metal nanoparticles in the selective photo-oxidation of glucose through using visible light. Glucose was chosen as model molecule because it is the cheapest and the most common monosaccharide. Few studies about glucose photo oxidation have been conducted so far, and reaction mechanism is still not totally explained. The aim of this work was to systematically analyze and assess the impact of several parameters (eg. catalyst/substrate ratio, reaction time, effect of the solvent and light source) on the reaction pathway and to monitor the product distribution in order to draw a general reaction scheme for the photo oxidation of glucose under visible light. This study regards the reaction mechanism and the influence of several parameters, such as solvent, light power and substrate concentration. Furthermore, the work focuses on the influence of gold and silver nanoparticles and on the influence of metal loading. The glucose oxidation was monitored through the mass balance and the products selectivity. Reactions were evaluated in terms of glucose conversion, mass balance and selectivities towards arabinose and gluconic acid. In conclusion, this study is able to demonstrate that the photo oxidation of glucose under visible light is feasible; the full identification of the main products allows, for the first time, a comprehensive reaction mechanism scheme.

Sistemi a base di Pt/ossido di grafene per la riduzione catalitica del 5-idrossimetilfurfurale

L’ossido di grafene è caratterizzato da una elevata quantità di gruppi funzionali contenenti ossigeno sia sulla superficie che sui bordi e grazie ad essi è altamente disperdibile in acqua. Questa peculiare caratteristica permette il suo utilizzo come catalizzatore nelle reazioni in fase liquida. I materiali grafenici possono essere impiegati come catalizzatori e come supporti in diversi campi della catalisi, tra cui la bioraffineria. Uno dei principali derivati da biomasse è il 5-idrossimetilfurfurale (HMF). In questa tesi è stata investigata la reazione di riduzione selettiva del gruppo aldeidico di HMF per ottenere 2,5-bisidrossimetilfurano (BHMF), utilizzato per la produzione di polimeri e come intermedio per la produzione di acido adipico ed esametilediammina. In questo lavoro di tesi si è cercato di sviluppare un catalizzatore in grado di operare a bassa temperatura e con basse pressioni di H2, utilizzando acqua come solvente. Lo scopo di questo lavoro è stato quindi lo studio e la caratterizzazione di catalizzatori eterogenei in pellet a base di Pt/ossido di grafene/ossidi ceramici (TiO2, Al2O3) e la loro applicazione nella reazione di riduzione del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) a 2,5-bisidrossimetilfurano (BHMF) in fase liquida. Per lo sviluppo del catalizzatore sono state indagate diverse vie di sintesi e diversi precursori di Pt. Per conoscere le condizioni ottimali di reazione, selezionare il supporto ottimale e studiare l’influenza dell’area superficiale sono stati preparati catalizzatori tradizionali di riferimento in polvere. Le prestazioni dei catalizzatori in polvere sono state inoltre confrontate con i catalizzatori analoghi in pellet per verificare l’influenza del trasferimento di materia. Infine, si è studiata l’influenza del GO nell’attività catalitica utilizzando due forme cristalline di titania. I dati catalitici ottenuti sono stati confrontati con dei catalizzatori convenzionali in polvere di Pt supportato su carbone (grafene e carbone attivo). Le proprietà dei catalizzatori preparati sono state messe in relazione con la loro attività catalitica.

Studio dell'interazione di etanolo con catalizzatori TiO2-CeOx.

Due to the limited availability of natural oil and the harmful effects of its usage, the industry has focused in searching for sustainable types of raw materials for the production of chemicals. The bioethanol, obtained by fermentation of biomass, has gained particular importance in recent years both as a biofuel, and as a “building block” molecule because it can be considered as a starting reagent to obtain other added value chemical compounds, such as ethylene, acetaldehyde, butadiene and ethyl acetate. The goal of this research was the study of the interaction of ethanol with catalysts based on TiO2-CeOX. Since the electronic properties have implications on the catalytic activity, the idea was to understand if the TiO2-CeOX systems have different reactivity from that of ceria and rutile alone, or an intermediate between them. The study was focused on the characterization of the adsorbed species on the catalysts surface after ethanol adsorption through an in-situ spectroscopic technique (DRIFTS) that allowed us to extract information that could be helpful for the understanding of the processes at the molecular level. The mass spectrometry was used to monitor on-line the desorbed products. Furthermore, reactivity tests in a flow reactor were performed, in order to verify the catalytic behavior of the samples in conditions which are more similar to those applied at an industrial scale. The samples showed to behave in different way depending on the conditions used and the thermal treatment. The particular behavior of the mixed samples with respect to the single oxides is interpreted for each case according to the spectroscopic information collected.

Catalizzatori polifunzionali per la sintesi di Metil Isobutil Chetone

In this work, we have examined the activity and selectivity of new catalysts for the single-stage production of methyl isobutyl ketone (MIBK, 4- methyl-2-pentanone) from acetone (both in liquid and gas phase), using a fixed bed reactor operated in the temperature range between 373 and 473 K. The main reaction pathways for the synthesis of MIBK from acetone are given in Fig.1. The first step is the self condensation of acetone to diacetone alcohol (DAA, 4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone); the second step is the dehydration of DAA to mesityl oxide (MO, 4-methyl-3-penten-2-one); the final step is the selective hydrogenation of the carbon–carbon double bond of MO to form MIBK. The most commonly observed side reactions are over-condensations and unselective hydrogenations (also shown in Fig.1). Two types of catalysts were studied: i)Pd supported on MgO-SiO2 mixed oxides with ratio of Mg to Si, synthetized using Ohnishi’s method and ii)Pd supported on alumina doped with 5% or 10% of MgO. The different Mg-Si and Mg-Al catalysts were characterized by different techniques (XRD, BET, SEM, NH3-TPD and CO2-TPD) and tested under different conditions in the condensation of acetone to diacetone alcohol and its dehydration to mesityl oxide to enhance the activity. Palladium was chosen as metal component, and its hydrogenation activity was studied. A low hydrogenation activity negatively affects the acetone conversion and promotes the production of mesityl oxide. Hydrogenation conditions being too severe may favor the unwanted hydrogenation of acetone to 2-propanol and of MIBK to methyl isobutyl carbinol (MIBC, 4-methyl-2-pentanol) but this effect is less detrimental to the MIBK selectivity than an unsufficient hydrogenation activity.

Catalytic decomposition of formic acid using supported metal nanoparticles

Upgrade of hydrogen to valuable fuel is a central topic in modern research due to its high availability and low price. For the difficulties in hydrogen storage, different pathways are still under investigation. A promising way is in the liquid-phase chemical hydrogen storage materials, because they can lead to greener transformation processes with the on line development of hydrogen for fuel cells. The aim of my work was the optimization of catalysts for the decomposition of formic acid made by sol immobilisation method (a typical colloidal method). Formic acid was selected because of the following features: it is a versatile renewable reagent for green synthesis studies. The first aim of my research was the synthesis and optimisation of Pd nanoparticles by sol-immobilisation to achieve better catalytic performances and investigate the effect of particle size, oxidation state, role of stabiliser and nature of the support. Palladium was chosen because it is a well-known active metal for the catalytic decomposition of formic acid. Noble metal nanoparticles of palladium were immobilized on carbon charcoal and on titania. In the second part the catalytic performance of the “homemade” catalyst Pd/C to a commercial Pd/C and the effect of different monometallic and bimetallic systems (AuxPdy) in the catalytic formic acid decomposition was investigated. The training period for the production of this work was carried out at the University of Cardiff (Group of Dr. N. Dimitratos).

Ingegnerizzazione di materiali nanostrutturati fotocataliticamente attivi

Il lavoro oggetto di questa tesi è rivolto alla sintesi e alla caratterizzazione di materiali nanostrutturati costituiti da biossido di titanio e ossido di silicio da utilizzare come fotocatalizzatori per la depurazione delle acque. L’obiettivo è stato quello di realizzare un sistema in fase solida costituito da una matrice inerte, la silice, e una fase fotocataliticamente attiva, la nano-TiO2. Tale sistema si inserisce perfettamente nel settore di ricerca che studia la sintesi colloidale di eterostrutture nano e micro cristalline che combinano materiali diversi in un’unica particella. Il progetto nasce all’interno dell’ISTEC-CNR di Faenza, dove è stato svolto il lavoro.

Mechanochemical solvent-free synthesis of Sn-β Zeolite and Ag2O/TiO2 catalysts

Preparations of heterogeneous catalysts are usually complex processes that involve several procedures as precipitation, crystallization and hydrothermal treatments. This processes are really dependent by the operative conditions such as temperature, pH, concentration etc. Hence the resulting product is extremely affected by any possible variations in these parameters making this synthesis really fragile. With the aim to improve these operations has been decided to exploit a new possible strong environment-respectful process by mechanochemical treatment, which permits to carry out solvent free-solvent synthesis exploiting the Mixer Mill MM400 (Retsch) in order to have reproducible results. Two different systems have been studied in this kind of synthesis: a tin β -zeolite tested in a H-trasnfer reaction of cyclohexanone and a silver on titania catalyst used in the fluorination of 2,2 dimethyl glucaric acid. Each catalyst has been characterized by different techniques in order to understand the transformations involved in the mechanochemical treatment.

Sviluppo di sistemi fotocatalitici per l'ossidazione selettiva di 5-idrossimetilfurfurale

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio dell’attività fotocatalitica nella reazione di ossidazione selettiva della 5-idrossimetilfurfurale (HMF) di diversi sistemi a base di diossido di titanio. Il lavoro ha comportato la preparazione di una polvere di ossido di titanio nanoparticellare tramite microemulsione. La polvere ottenuta è stata caratterizzata e confrontata con due polveri commerciali (Evonik P25 e Millenium DT51). Successivamente, la titania prepata tramite microemulsione è stata sottoposta a spray-freeze drying per aumentarne l’area superficiale e ridurne la densità. La tecnica di spray-freeze drying è stata poi utilizzata per sviluppare nanocompositi a base di titania, silice e ceria, e per decorare alcune polveri con nanoparticelle di oro e di oro/rame preformate. Le nanoparticelle sono state sintetizzate tramite un processo in acqua a basso impatto ambientale, usando un sistema glucosio-sodio idrossido come riducente e PVP come stabilizzante. Le polveri preparate sono state caratterizzate tramite analisi BET, DRS, XRD, SEM e TEM. Tutti i materiali sviluppati sono stati testati nella reazione di fotoossidazione selettiva dell’HMF utilizzando un simulatore solare. Sono inoltre state svolte prove fotocatalitiche utilizzando scavenger di specie attive, volte ad indagare il meccanismo promosso da alcune delle polveri preparate e le differenze fra questi.