Ex situ X-­Ray absorption study of Li-­rich layered cathode material Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2

The Li-rich layered transition metal oxides (LLOs) Li2MnO3-LiMO2 (M=Mn, Co, Ni, etc.) have drawn considerable attention as cathode materials for rechargeable lithium batteries. They generate large reversible capacities but the fundamental reaction mechanism and structural perturbations during cycling remain controversial. In the present thesis, ex situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) measurements were performed on Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2 at different stage of charge during electrochemical oxidation/reduction. K-edge spectra of Co, Mn and Ni were recorded through a voltage range of 3.7-4.8V vs. Li/Li+, which consist of X-ray absorption near edge structure (XANES) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS). Oxidation states during initial charge were discussed based on values from literature as well as XANES analysis. Information about bond distance, coordination number as well as corresponding Debye-Waller factor were extracted from Gnxas analysis of raw data in the EXAFS region. The possibility of oxygen participation in the initial charge was discussed. Co and Ni prove to take part in the oxidation/reduction process while Mn remain in the tetravalent state. The cathode material appears to retain good structural short-range order during charge-discharge. A resemblance of the pristine sample and sample 4 was discovered which was firstly reported for similar compounds.

Ab-initio determination of x-ray absorption near edge structure (xanes) spectra in an ultrasoft and norm conserving pseudopotentials scheme

X-ray absorption spectroscopy (XAS) is a powerful means of investigation of structural and electronic properties in condensed -matter physics. Analysis of the near edge part of the XAS spectrum, the so – called X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES), can typically provide the following information on the photoexcited atom: - Oxidation state and coordination environment. - Speciation of transition metal compounds. - Conduction band DOS projected on the excited atomic species (PDOS). Analysis of XANES spectra is greatly aided by simulations; in the most common scheme the multiple scattering framework is used with the muffin tin approximation for the scattering potential and the spectral simulation is based on a hypothetical, reference structure. This approach has the advantage of requiring relatively little computing power but in many cases the assumed structure is quite different from the actual system measured and the muffin tin approximation is not adequate for low symmetry structures or highly directional bonds. It is therefore very interesting and justified to develop alternative methods. In one approach, the spectral simulation is based on atomic coordinates obtained from a DFT (Density Functional Theory) optimized structure. In another approach, which is the object of this thesis, the XANES spectrum is calculated directly based on an ab – initio DFT calculation of the atomic and electronic structure. This method takes full advantage of the real many-electron final wavefunction that can be computed with DFT algorithms that include a core-hole in the absorbing atom to compute the final cross section. To calculate the many-electron final wavefunction the Projector Augmented Wave method (PAW) is used. In this scheme, the absorption cross section is written in function of several contributions as the many-electrons function of the finale state; it is calculated starting from pseudo-wavefunction and performing a reconstruction of the real-wavefunction by using a transform operator which contains some parameters, called partial waves and projector waves. The aim of my thesis is to apply and test the PAW methodology to the calculation of the XANES cross section. I have focused on iron and silicon structures and on some biological molecules target (myoglobin and cytochrome c). Finally other inorganic and biological systems could be taken into account for future applications of this methodology, which could become an important improvement with respect to the multiscattering approach.

Pre-edge analysis of X-rays absorption spectra in TiO2 modified films

The thesis is mainly focused on the pre-edge analysis of XAS spectra of Ti HCF sample hexacyanocobaltate and hexacyanoferrate samples doped on a Indium Tin Oxide (ITO) thin film. The work is aimed at the determination of Ti oxidation state, as well as indication of various coordination number in the studied samples. The experiment have been conducted using XAFS (X-ray absorption fine structure)beamline at Elettra synchrotron, Trieste (Italy) under supervision of Professor Marco Giorgetti, Department of Industrial Chemistry, University of Bologna. The Master thesis accreditation to fullfill the ASC Master of Advanced Spectroscopy in Chemistry Degree requirement.

Spettroscopia di assorbimento di raggi X: apparato per misure in condizioni di illuminazione ottica differenziale come primo passo verso una misura risolta in tempo della struttura locale di molecole metallo-organiche

Il continuo sviluppo negli ultimi anni di diverse declinazioni della spettroscopia d'assorbimento a raggi X (XAS) con radiazione di sincrotrone ha permesso la determinazione della struttura locale di campioni di ogni tipo, dagli elementi puri, ai più moderni materiali, indagando e approfondendo la conoscenza di quei meccanismi che conferiscono a questi ultimi delle proprietà innovative e, a volte, rivoluzionarie. Il vantaggio di questa tecnica è quello di poter ottenere informazioni sulla struttura del campione soprattutto a livello locale, rendendo relativamente agevole l'analisi di sistemi senza ordine a lungo raggio, quali per esempio i film molecolari. Nell'elaborato verrà preliminarmente illustrata la fenomenologia della XAS e l’interpretazione teorica dell'origine della struttura fine. Saranno successivamente descritte le innovative tecniche di misura che permettono di studiare i cambiamenti della struttura locale indotti dall'illuminazione con luce visibile, inclusi gli esperimenti di tipo pump probe. Un capitolo della tesi è interamente dedicato alla descrizione dei campioni studiati, di cui sono stati analizzati alcuni dati acquisiti in condizioni statiche. Quest'analisi è stata compiuta sfruttando anche dei cammini di multiplo scattering dedicando particolare attenzione alla trattazione del fattore di Debye Waller. Nella parte principale della tesi verranno descritti la progettazione ed il test di un apparato sperimentale per l'acquisizione di spettri differenziali da utilizzare alla beamline BM08 dell'European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble. Saranno presentate principalmente le modifiche apportate al software d'acquisizione della linea e la progettazione di un sistema ottico d'eccitazione da montare nella camera sperimentale. Nella fase di studio dell'ottica è stato creato in LabView un simulatore basato sul metodo Monte Carlo, capace di prevedere il comportamento del sistema di lenti.

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.

Studio della struttura locale di droganti in quantum dots mediante spettroscopia di assorbimento di raggi X

La capacità della spettroscopia di assorbimento di riuscire a determinare la struttura locale di campioni di ogni tipo e concentrazione, dagli elementi puri ai più moderni materiali nanostrutturati, rende lo studio dei meccanismi di incorporazione di droganti in matrici di semiconduttori il campo che meglio ne esprime tutto il potenziale. Inoltre la possibilità di ottenere informazioni sulla struttura locale di un particolare elemento in traccia posto in sistemi senza ordine a lungo raggio risulta, ovviamente, nello studio dei semiconduttori di grandissimo interesse. Tuttavia, la complessità di determinate strutture, generate dalla incorporazione di elementi eterovalenti che ne modificano la simmetria, può far si che all’analisi sperimentale si debbano affiancare dei metodi avanzati ab-initio. Questi approcci garantiscono, attraverso la simulazione o di strutture atomiche o dello stesso spettro XAS, di ottenere una più completa e precisa interpretazione dei dati sperimentali. Nella fase preliminare di questo elaborato si illustrerà la fenomenologia della spettroscopia di assorbimento e i fondamenti teorici che stanno alla base dell’analisi della struttura fine di soglia. Si introdurranno contemporaneamente le tecniche sperimentali con cui si realizzano le misure di spettri di assorbimento su una beamline che sfrutta sorgente di radiazione di sincrotrone facendo riferimento agli strumenti montati sulla linea LISA (o BM08) presso l’European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble su cui si sono realizzati gli esperimenti di questo lavoro. Successivamente si realizzerà una rassegna di alcuni esperimenti simbolo della analisi della struttura locale di droganti in semiconduttori mediante XAFS, andando ad approfondire i metodi sperimentali associati. Nella parte principale della tesi verranno descritti alcuni tipi di analisi avanzate effettuate su Colloidal Quantum Dots a base di solfuro di piombo drogati con antimonio. Tali sistemi, particolarmente interessanti per potenziali applicazioni in campo optoelettrico, sono stati analizzati mediante misure di fluorescenza ottenute sulla beamline LISA. La fase di analisi ha visto la progettazione di una suite di programmi in C++ per realizzare simulazioni di uno spettro XAS teorico completo basato su strutture ottenute (anche esse) da metodi ab-initio.