Materiali ceramici a struttura Aurivillius per la produzione di solar fuels

Solar fuels from CO2 is a topic of current large scientific and industrial interest. In particular, photo-electrochemical cells (PECs) represent today one of the most promising technology for storing sun energy as chemical bonds exploiting carbon dioxide as starting reagent. In this thesis, the possibility of using Aurivillius-type compounds for the production of solar fuels was deeply investigated. Aurivillius-type perovskites, with general formula Bi(n+1)Fe(n-3)Ti3O(3n+3), were synthesized and fully characterized to study the influence of the number of perovskite layers as well as of the synthesis parameters onto their final properties. In particular, 8 different systems were considered increasing the amount of iron and, as a consequence, the number of perovskite layers. These compounds were synthesized through a standard solid-state reaction method as well as via a sol-gel technique and characterized by XRD, SEM and BET analyses. The band gap value and the photocatalytic activity towards Rhodamine B decomposition were assessed as well. For each system, a screen-printing ink was formulated to be deposited as photo-electrodes onto transparent conducting supports. The photo-electrodes were morphologically characterized by XRD and SEM analysis, and their electrochemical properties (cyclic and linear voltammetry, EIS, Mott-Schottky analysis) were determined. Finally, the most promising materials were tested as photo-cathode inside PEC cell under different illumination conditions, to quantify their ability to convert CO2. The obtained results show the potentiality of Aurivillius-type compounds as innovative material for carbon dioxide photo-electrochemical reduction.

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.

Sintesi e caratterizzazione di CaCu3Ti4O12 (CCTO) per applicazioni in fotoelettrocatalisi

A promising strategy to mitigate both the energy crisis and global warming is the development of solar fuels and chemicals using as feedstock CO2 in combination with simple molecules such as water. This process stores the solar energy into chemical bonds, leading to a carbon-neutral approach of fuels and chemicals production. Aim of this thesis was the synthesis and characterization of CaCu3Ti4O12 (CCTO)- based compounds to be used as visible light photocatalyst for CO2 to chemical conversion. Different compositions were produced doping CCTO with increasing concentration of iron into the perovskite’s A site in order to identify the materials with the highest photo- and photoelectrocatalytic properties. The most promising compositions were used to produce photoelectrodes by screen printing that were characterized by linear and cyclic voltammetry, impedance spectroscopy and Mott-Schottky analysis to evaluate the electrical conductivity and calculate the flat band potential and the number of charge carriers in the samples. The photoelectrodes were then tested in a photoelectrochemical (PEC) cell for the conversion of CO2 into fuel and chemicals. The results obtained confirm that CCTO-based materials can be considered promising materials for carbon dioxide photo-electrochemical reduction.

Misure di trasmittanza ottica di nanoparticelle di Ti(1-x)V(x)O(2)

Negli ultimi tempi sta assumendo grande importanza la ricerca sulla produzione di idrogeno dall’acqua tramite celle foto-elettrolitiche. In questa tesi vengono descritte le analisi condotte su un materiale che può essere coinvolto in questa applicazione: il TiO2 drogato con atomi di V. In particolare è stato valutato l’effetto del drogaggio sull’energy gap tramite misure di trasmittanza ottica effettuate in laboratorio su campioni con diverse concentrazioni di V e trattati termicamente a varie temperature. Nel primo capitolo vengono descritte le caratteristiche dei semiconduttori legate all’ottica, soffermandosi in particolare sul TiO2. Nel secondo capitolo sono illustrati l’apparato e il metodo sperimentale; viene inoltre fornita una descrizione dettagliata dei campioni analizzati. Nel terzo capitolo vengono esposti i risultati delle analisi dei dati.

Nanocompositi di grafene per applicazioni fotocatalitiche.

Nella tesi si parlerà del grafene, una forma allotropica del carbonio, e del suo uso in fotocatalisi. Si illustreranno alcuni utilizzi dei fotocatalizzatori grafene-semiconduttore, sottolineando i benefici che comporta l'introduzione del grafene. Oltre a questo, si parlerà dei metodi di produzione di tale compositi, trattando la produzione del grafene stesso, la formazione di compositi GR-semiconduttore e le modifiche diche è possibile introdurre in fase di produzione con lo scopo di aumentare l'attività fotocatalitica e la durata dei materiali.

Deposizione elettrochimica di film polimerici foto-attivi per la realizzazione di celle solari

Plastic solar cells bear the potential for large-scale power generation based on flexible, lightweight, inexpensive materials. Since the discovery of the photo-induced electron transfer from a conjugated polymer (electron-donor) to fullerene or its derivatives molecules (electron-acceptors), followed by the introduction of the bulk heterojunction concept which means donors and acceptors blended together to realize the fotoactive layer, materials and deposition techniques have been extensively studied. In this work, electrochemical-deposition methods of polymeric conductive films were studied in order to realize bulk heterojunction solar cells. Indium Tin Oxide (ITO) glass electrodes modified with a thin layer of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) were electrochemically prepared under potentiodynamic and potentiostatic conditions; then those techniques were applied for the electrochemical co-deposition of donor and acceptor on modified ITO electrode to produce the active layer (blend). For the deposition of the electron-donor polymer the electropolymerization of many functionalized thiophene monomers was investigated while, as regards acceptors, fullerene was used first, then the study was focused on its derivative PCBM ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester). The polymeric films obtained (PEDOT and blend) were electrochemically and spectrophotometrically characterized and the film thicknesses were evaluated by atomic force microscopy (AFM). Finally, to check the performances and the efficiency of the realized solar cells, tests were carried out under standard conditions. Nowadays bulk heterojunction solar cells are still poorly efficient to be competitively commercialized. A challenge will be to find new materials and better deposition techniques in order to obtain better performances. The research has led to several breakthroughs in efficiency, with a power conversion efficiency approaching 5 %. The efficiency of the solar cells produced in this work is even lower (lower than 1 %). Despite all, solar cells of this type are interesting and may represent a cheaper and easier alternative to traditional silicon-based solar panels.

Sintesi, caratterizzazione e nano-strutturazione di politiofeni e loro applicazione in celle solari

Negli ultimi decenni i polimeri coniugati, grazie alla loro peculiarità di essere dei semiconduttori organici, hanno attirato l’attenzione della ricerca scientifica, e tra questi composti rientrano i politiofeni. Versatilità, robustezza chimica strutturale e fluorescenza sono alcune delle proprietà che caratterizzano tali composti e che hanno permesso di esplorare nuovi materiali da un punto di vista scientifico e tecnologico. Recentemente molto interessanti sono risultate essere le nanoparticelle politiofeniche poiché permettono di modulare le proprietà chimico-fisiche dei relativi polimeri, ampliandone le potenzialità a trovare applicazione in molteplici dispositivi elettronici, tra cui le celle solari (CS) organiche. Infatti, molto attivo è l’interesse della comunità scientifica per ottimizzare questi dispositivi ricercando nuovi prodotti che soddisfino diversi requisiti, come riduzione dell’impatto ambientale, la facilità di preparazione e compatibilità con substrati flessibili. In tale contesto, uno degli obiettivi della ricerca attualmente si focalizza sulla preparazione di nuovi accettori da usare in CS organiche alternativi ai derivati fullerenici, i quali presentano diversi svantaggi. Alla luce dei più recenti risultati si è visto che i politiofeni push-pull, caratterizzati dall’alternanza di gruppi accettori (A) e gruppi donatori (D), hanno una notevole potenzialità a rimpiazzare tali materiali e ad essere usati come accettori non-fullerenici. Infatti, questi hanno permesso di ottenere buoni risultati in termini di conversioni ed efficienze delle celle fotovoltaiche. Lo scopo di questo lavoro di tesi è sintetizzare sei nuovi polimeri a base tiofenica (quattro con sequenza A-D e due con sequenza A-A) per studiarne le possibili applicazioni come materiali accettori non-fullerenici e la loro organizzazione in strutture ordinate di nanoparticelle.

Processi di deposizione di blocking layers di TiO2 per Dye - Sensitized Solar Cells (DSSC)

Le Dye – Sensitized Solar Cells (DSSC) sono attualmente considerate tra le alternative più promettenti al fotovoltaico tradizionale. I ridotti costi di produzione e l’elevata versatilità di utilizzo rappresentano i punti di forza di questi dispositivi innovativi. Ad oggi la ricerca è concentrata prevalentemente sull’incremento delle prestazioni delle DSSC, ottenibile solamente attraverso un miglioramento delle funzioni dei singoli componenti e dell’interazione sinergica tra questi. Tra i componenti, ha recentemente assunto particolare interesse il blocking layer (BL), costituito generalmente da un film sottile di TiO2 depositato sulla superficie dell’anodo (FTO) e in grado di ottimizzare i fenomeni all’interfaccia FTO/TiO2/elettrolita. Nel corso di questo lavoro di tesi si è rivolta l’attenzione prevalentemente sulle caratteristiche del BLs (ad esempio proprietà morfologico – strutturali) cercando di mettere in correlazione il processo di deposizione con le caratteristiche finali del film ottenuto. A questo scopo è stato ottimizzato un processo di deposizione dei film via spin coating, a partire da soluzioni acquosa o alcolica di precursore (TiCl4). I film ottenuti sono stati confrontati con quelli depositati tramite un processo di dip coating riportato in letteratura. I BLs sono stati quindi caratterizzati tramite microscopia (SEM – AFM), spettrofotometria (UV.- Vis) e misure elettrochimiche (CV – EIS). I risultati ottenuti hanno messo in evidenza come i rivestimenti ottenuti da soluzione acquosa di precursore, indipendentemente dalla tecnica di deposizione utilizzata (spin coating o dip coating) diano origine a film disomogenei e scarsamente riproducibili, pertanto non idonei per l’applicazione nelle DSSC. Viceversa, i BLs ottenuti via spin coating dalla soluzione alcolica di TiCl4 sono risultati riproducibili, omogenei, e uniformemente distribuiti sulla superficie di FTO. Infine, l’analisi EIS ha in particolare evidenziato un effettivo aumento della resistenza al trasferimento di carica tra elettrodo FTO ed elettrolita in presenza di questi BLs, fenomeno generalmente associato ad un efficace blocking effect.

Manufacturing and characterization of amorphous silicon alloys passivation layers for silicon hetero-junction solar cells

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati film sottili (circa 10 nm) di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), studiando in particolare leghe a basso contenuto di ossigeno e carbonio. Tali layer andranno ad essere implementati come strati di passivazione per wafer di Si monocristallino in celle solari ad eterogiunzione HIT (heterojunctions with intrinsic thin layer), con le quali recentemente è stato raggiunto il record di efficienza pari a 24.7% . La deposizione è avvenuta mediante PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition). Tecniche di spettroscopia ottica, come FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) e SE (spettroscopic ellipsometry) sono state utilizzate per analizzare le configurazioni di legami eteronucleari (Si-H, Si-O, Si-C) e le proprietà strutturali dei film sottili: un nuovo metodo è stato implementato per calcolare i contenuti atomici di H, O e C da misure ottiche. In tal modo è stato possibile osservare come una bassa incorporazione (< 10%) di ossigeno e carbonio sia sufficiente ad aumentare la porosità ed il grado di disordine a lungo raggio del materiale: relativamente a quest’ultimo aspetto, è stata sviluppata una nuova tecnica per determinare dagli spettri ellisometrici l’energia di Urbach, che esprime la coda esponenziale interna al gap in semiconduttori amorfi e fornisce una stima degli stati elettronici in presenza di disordine reticolare. Nella seconda parte della tesi sono stati sviluppati esperimenti di annealing isocrono, in modo da studiare i processi di cristallizzazione e di effusione dell’idrogeno, correlandoli con la degradazione delle proprietà optoelettroniche. L’analisi dei differenti risultati ottenuti studiando queste particolari leghe (a-SiOx e a-SiCy) ha permesso di concludere che solo con una bassa percentuale di ossigeno o carbonio, i.e. < 3.5 %, è possibile migliorare la risposta termica dello specifico layer, ritardando i fenomeni di degradazione di circa 50°C.

Riduzione selettiva della 2-furaldeide ad alcol furfurilico e metil furano con catalizzatori a base di Mg/M/O e metanolo come fonte di idrogeno

Le biomasse sono attualmente la più promettente alternativa ai combustibili fossili per la produzione di sostanze chimiche e fuels. A causa di problematiche di natura etica la ricerca oggi si sta muovendo verso l'uso delle biomasse che sfruttano terreni non coltivabili e materie prime non commestibili, quali la lignocellulosa. Attualmente sono state identificate diverse molecole piattaforma derivanti da biomasse lignocellulosiche. Tra queste ha suscitato grande interesse la 2-furaldeide o furfurale (FU). Tale molecola può essere ottenuta mediante disidratazione di monosaccaridi pentosi e possiede elevate potenzialità; è infatti considerata un intermedio chiave per la sintesi di un’ampia varietà di combustibili alternativi come il metilfurano (MFU) e prodotti ad elevato valore aggiunto per l’industria polimerica e la chimica fine come l’alcol furfurilico (FAL). In letteratura tali prodotti vengono principalmente ottenuti in processi condotti in fase liquida mediante l’utilizzo di catalizzatori eterogenei a base di metalli nobili come: Ni-Co-Ru-Pd, Pt/C o Pt/Al2O3, NiMoB/γ-Al2O3, in presenza di idrogeno molecolare come agente riducente. La riduzione del gruppo carbonilico mediante l’utilizzo di alcoli come fonti di idrogeno e catalizzatori a base di metalli non nobili tramite la reazione di Meerwein–Ponndorf–Verley (MPV), rappresenta un approccio alternativo che limita il consumo di H2 e permette di utilizzare bio-alcoli come donatori di idrogeno. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di mettere a punto un processo continuo, in fase gas, di riduzione della FU a FAL e MFU, utilizzando metanolo come fonte di idrogeno tramite un meccanismo di H-transfer. In dettaglio il lavoro svolto può essere così riassunto: Sintesi dei sistemi catalitici MgO e Mg/Fe/O e loro caratterizzazione mediante analisi XRD, BET, TGA/DTA, spettroscopia RAMAN. Studio dell’attività catalitica dei catalizzatori preparati nella reazione di riduzione in fase gas di FU a FAL e MFU utilizzando metanolo come fonte di idrogeno.

Celle solari ultra-sottili in silicio

Con l’incremento della popolazione mondiale e la conseguente crescita del fabbisogno di energia dovuta a nuovi lavori e sempre più macchinari in circolazione, è insorta l'esigenza di produrre più energia elettrica. A partire dagli anni ’50 numerosi scienziati hanno analizzato il problema energetico e sono giunti alla conclusione che fonti di energia come petrolio, carbone e gas non erano in grado di soddisfare il bisogno umano sul lungo termine e si è quindi passati alla ricerca di altre fonti di energia come il nucleare. Oggi, grazie ad un progetto ed uno studio di circa 50 anni fa – finalizzato alla alimentazione di satelliti geostazionari - , si sta sempre di più affermando la scelta del fotovoltaico, in quanto rappresenta un’energia pulita e facilmente utilizzabile anche nei luoghi dove non è possibile avere un allaccio alla normale rete elettrica. La ricerca di questo nuovo metodo di produrre energia, che tratta la conversione di luce solare in energia elettrica, si è evoluta, differenziando materiali e metodi di fabbricazione delle celle fotovoltaiche, e quindi anche dei moduli fotovoltaici. Con la crescente produzione di apparati elettronici si è arrivati però ad avere un nuovo problema: il consumo sempre maggiore di silicio con un conseguente aumento di prezzo. Negli ultimi anni il prezzo del silicio è significativamente aumentato e questo va a pesare sull’economia del pannello fotovoltaico, dato che questo materiale incide per il 40-50% sul costo di produzione. Per questo motivo si sono voluti trovare altri materiali e metodi in grado di sostituire il silicio per la costruzione di pannelli fotovoltaici, con il seguire di nuovi studi su materiali e metodi di fabbricazione delle celle. Ma data la conoscenza e lo studio dovuto ai vari utilizzi nell’elettronica del silicio, si è anche studiato un metodo per ottenere una riduzione del silicio utilizzato, creando wafer in silicio sempre più sottili, cercando di abbassare il rapporto costo-watt , in grado di abbassare i costi di produzione e vendita.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi materiali politioalchiltiofenici per applicazioni in celle solari bulk-heterojunction

L’oggetto della presente tesi di laurea magistrale consiste nello studio di polimeri coniugati nella catena principale, per una loro applicazione come materiali fotoattivi in celle fotovoltaiche. In particolare, sono stati sintetizzati e caratterizzati politiofeni tioalchil sostituiti, funzionalizzati in posizione 3-3' con catene alchiliche di diversa lunghezza e grado di ramificazione (tra cui una chirale), al fine di studiarne l'effetto sulle proprietà ottiche ed elettriche del materiale. I polimeri ottenuti sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche (1H-NMR, UV-PL), cromatografia a permeazione su gel (GPC), analisi termiche (DSC, TGA) e misure elettrochimiche (voltammetria ciclica). Il comportamento chiro-ottico del campione chirale è stato inoltre valutato tramite misure di dicroismo circolare. Si è infine testata l’efficienza delle celle fotovoltaiche ottenute utilizzando i polimeri sintetizzati come materiale fotoattivo.

Sperimentazione di un EGR HP Mixer e di un Oil Cooler con Bypass in un motore V6 Diesel con l’obiettivo di ridurre la CO2

Lo scopo di questa tesi è stato sperimentare componenti prototipali su un motore V6 Diesel all’interno di un banco dinamico con il fine di valutarne la riduzione di CO2 in cicli di omologazione NEDC e WLTC. In particolare si sono studiati un nuovo EGR HP Mixer e un Oil Cooler dotato di Bypass: il primo componente per migliorare l’EGR distribution da cilindro a cilindro, mentre il secondo componente per ottenere un’ottimizzazione energetica della pompa dell’olio sfruttando il nuovo bypass del cooler. L’Oil Cooler è dotato di due cartucce intercambiabili che cambiano le fasi di bypass a seconda della temperatura dell’olio: la prima cartuccia, a 2 stadi, parte dalla condizione di bypass e chiude a una certa temperatura per proteggere il motore; la seconda, a 3 stadi, sfrutta il bypass solo in un range di temperatura ottimizzato con il calcolo CFD. La riduzione di consumi di gasolio è stata valutata confrontando i diversi consumi a pari emissioni di NOx; in questo modo si è registrata una riduzione di consumi con l’EGR HP Mixer dell’1.7% nel ciclo NEDC e dello 0.5% nel ciclo WLTC. Con lo stesso metodo si è registrato che l’Oil Cooler Bypass determina nel ciclo NEDC una riduzione dello 0.6 % con la valvola a 3 Stadi e una riduzione dello 0.37 % con la valvola a 2 Stadi. Nel ciclo WLTC si è invece ottenuta una riduzione dello 0.1 % con la valvola a 3 Stadi e un aumento dello 0.33 % con la valvola a 2 Stadi. Di ogni componente è stato fatto uno studio stazionario per indagarne a fondo i comportamenti.