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.

Sintesi per microemulsione di materiali fotocatalitici ed elettrocatalitici basati su nanoparticelle di ossido di titanio

Il catalizzatore studiato per questa reazione è principalmente l’ossido di titanio (TiO2) per la sua disponibilità. Le modifiche principali riguardano l’inserimento nella struttura della TiO2 di altri elementi, principalmente N, e la deposizione di particelle di metalli nobili come co-catalizzatori. In questo elaborato vengono studiate una serie di sintesi per via microemulsione (ME). L’introduzione di una base (NaOH o NH4OH) è stata utilizzata per produrre delle modifiche nella morfologia dei catalizzatori. Alcuni parametri operativi delle sintesi, quali: tempo di agitazione del precursore, agente neutralizzante e trattamenti a riflusso sono stati studiati. Ottimizzando le sintesi in ME è stato possibile ottenere polveri di TiO2 con densità inferiore al campione di riferimento prodotto per ME, con valori inferiori a 1 g/mL. Le dimensioni delle particelle sono state osservate e risultano anch’esse inferiori, solitamente sotto 10 nm. L’area superficiale delle polveri è di solito superiore a 100 m2/g. Ulteriori modifiche introdotte riguardano la presenza di N nella struttura della TiO2, che ha permesso un miglioramento nell’assorbimento di luce nello spettro visibile. Inoltre, sfruttando la versatilità delle ME è stato possibile mettere a punto delle sintesi che permettono la precipitazione di specie di Ag sotto forma di nanoparticelle, della dimensione di 1 nm. I catalizzatori sono poi stati testati in fotocatalisi eterogenea, usando condizioni pressione atmosferica, temperatura di 30°C e utilizzando come solvente acqua. L’attività catalitica dei campioni è risultata promettente e si pensa che ulteriori studi di ottimizzazione dei parametri delle sintesi possano portare a successivi miglioramenti. I catalizzatori prodotti per neutralizzazione hanno mostrato una maggiore reattività e tra questi, quello trattato con NaOH, per effetto sinergico della densità e delle dimensioni dei cristalliti, ha esibito un’attività superiore agli altri.

Recupero di fibre di carbonio mediante pirogassificazione per la realizzazione di materiali di seconda generazione verso un modello di economia circolare

Lo scopo del presente elaborato di tesi è quello di ottimizzare il recupero, tramite pirogassificazione, delle fibre di carbonio derivanti da scarti e rifiuti di materiali compositi. Inoltre è stato valutato il riutilizzo delle fibre di carbonio riciclate per la produzione di materiali compositi di seconda generazione. Sono stati investigati diversi agenti di sizing per valutare un eventuale miglioramento dell'adesione fibra-matrice. Sulle singole fibre di carbonio riciclate è stata effettuata la caratterizzazione meccanica (prove a trazione) e morfologica (SEM). Inoltre, i materiali compositi realizzati sono stati caratterizzati meccanicamente (prove a trazione, a flessione e DMA), termicamente (TGA, DSC) e morfologicamente (SEM).

Sintesi e caratterizzazione di materiali polimerici water-soluble per applicazioni nel campo del fotovoltaico organico

The need to use renewable energy sources, due to the massive production of pollution for the energy production, has led to the development of new technologies for the use of solar energy. The purpose of this thesis project is to synthesize and characterize new thiophene-based polymeric materials processable in water, a green solvent, for the construction of organic solar cells, promising and versatile devices used for the production of electric energy. For this, a highly regioregular polymer was synthesized through GRIM polymerization (Grignard Metathesis Polymerization) on which a study was performed to identify the optimal reaction time.

Sviluppo di materiali compositi a base di Aquivion® PFSA per la valorizzazione catalitica del furfuril alcol

L'elaborato di tesi si è posto l'obiettivo di studiare la sintesi e l'attività catalitica di diversi materiali compositi a base di Aquivion, resina pefluorosolfonica dalle caratteristiche superacide, e vari ossidi su una reazione di valorizzazione catalitica del furfuril alcol. I test catalitici sono stati inizialmente svolti allo scopo di determinare l'influenza delle caratteristiche del catalizzatore e delle condizioni operative. La comparazione dei risultati ottenuti ha successivamente permesso di trarre ulteriori informazioni interessanti sul meccanismo di reazione. In particolare, le proprietà superficiali degli ossidi indagati hanno giocato un ruolo determinante per la generazione di acqua a partire dal solvente alcolico, acqua che è risultata fondamentale per alcuni step della reazione.

Rinforzi grafenici in nanofibre per la modifica di materiali compositi

I CFRP laminati offrono vari vantaggi rispetto ai materiali metallici: su tutti un peso ridotto e migliori proprietà meccaniche. Tuttavia, hanno un basso damping (smorzamento delle vibrazioni) e una bassa resistenza alla delaminazione, che possono portare a forti limitazioni durante la vita d’uso del materiale. Lo scopo del seguente elaborato riguarda la produzione di vari tessuti nanofibrosi in polimeri termoplastici, tra cui Nylon 66, eventualmente additivati con grafene, da includere in laminati compositi al fine di migliorare i problemi sopracitati. I tessuti nanofibrosi sono stati ottenuti mediante la tecnica dell'elettrofilatura, dopo ottimizzazione delle soluzioni e del processo stesso. Prima di essere integrate, le membrane sono state caratterizzate morfologicamente tramite analisi SEM e termicamente mediante analisi DSC. I laminati nano-modificati, prodotti tramite laminazione manuale, sono quindi stati caratterizzati meccanicamente. In particolare, è stata valutata la tenacità a frattura interlaminare in Modo I e II tramite test DCB e ENF. Inoltre, sono stati eseguiti anche test Three-Point Bending al fine di avere un quadro più completo sulle proprietà meccaniche dei compositi nano-modificati.

Transition Matters. Il ruolo del designer nella transizione sostenibile e circolare dei materiali polimerici

La ricerca indaga il ruolo del designer nella transizione sostenibile e circolare all’uso di materiali polimerici. Nel contesto contemporaneo la plastica è utilizzata in quasi ogni settore merceologico ma la sua futura applicazione è messa in forte discussione a causa dei visibili impatti ambientali del suo uso irresponsabile. Un passaggio netto dalla totale dipendenza alla liberazione dei polimeri è difficile; è necessario un periodo di transizione che permetta di coesistere responsabilmente con i polimeri in attesa di trovare dei validi sostituti. L’obiettivo della ricerca è lavorare su questo periodo ponendo il designer e le sue competenze come soggetti chiave del movimento. La tesi di ricerca propone un approccio per calare le pratiche del Transition Design nella progettazione di sistemi-prodotto, nutrendosi degli attributi anticipatori dell’Advanced Design e puntando agli obiettivi del Circular Design, lavorando a partire dalle merci più critiche nel contesto contemporaneo: quelle in polimero fossile non riciclabile. Contributo della tesi è la figura del Transition Matter Designer, un progettista di transizioni dei materiali che prevede metamorfosi di sistemi-prodotto nel tempo grazie alle sue competenze a diverse scale del progetto: forma l’utente agli atteggiamenti circolari e sostenibili, caratterizza i materiali per individuarne nuovi usi, seleziona i processi produttivi adatti a prevenire scarti e ne anticipa i cicli di vita nei prodotti. I Knitted Fasteners sono il risultato della simulazione del lavoro del Transition Matter Designer nel tessile: un sistema di elementi di fissaggio, personalizzabili dallo stilista e integrati negli abiti a maglia, che permettono di eliminare l’uso di fashion fasteners in plastica e metallo, elementi che rendono difficile il riciclo dei capi. Dalla sperimentazione è emerso il modello concettuale della Transindustrial Production: un lavoro di collaborazione fra Transition Matter Designer e creativo per dare identità ai materiali polimerici circolari attraverso l’ibridazione fra artigianato e industria, tipico del Made in Italy.

Realizzazione grafica del catalogo di nuovi materiali biocompositi con applicazione progettuale nel packaging cosmetico

Il primo capitolo introduce l’importante problema dei rifiuti plastici e l’impatto che hanno nell’ambiente, esaminando sia i rifiuti plastici di grandi dimensioni sia le microplastiche. A riguardo, un documento molto significativo è quello della New Plastics Economy: questo raccoglie rilevanti informazioni sull’andamento della produzione e dei rifiuti plastici negli anni e va a delineare dei suggerimenti, delle linee guida che dovrebbero essere adottate per migliorare questa attuale condizione di crisi ambientale dovuta proprio alle materie plastiche. Il secondo capitolo ha il compito di introdurre i trentasei nuovi biocompositi in fase di produzione e sperimentazione e con loro il primo progetto grafico di tesi del catalogo per l’azienda Arianna Fibers. Una prima parte affronta il tema della valorizzazione dello scarto. Ed è qui che i gusci di frutta secca hanno l’opportunità di trasformarsi da rifiuto in risorsa, da materia di scarto in materia prima. Karà bio-compositi sono dei nuovi materiali composti da una matrice di bioplastica biodegradabile e da scarti di gusci di frutta secca. Il mio obiettivo è stato quello di progettare un catalogo di questi materiali che raccoglie campioni materici, informazioni, foto, render e applicazioni. Il terzo capitolo riguarda la progettazione del packaging cosmetico come applicazione dei nuovi materiali biocompositi precedentemente descritti. Si parla dunque di Impronta Ambientale, LCA ed Ecodesign del packaging cosmetico e da queste ed altre valutazioni su casi studio presenti sul mercato nasce Karà bio-cosmetics: una linea di packaging cosmetici sostenibili realizzati con i materiali biocompositi biodegradabili. La tipologia di materiale scelto è quella dei biocompositi a matrice PHA, unica bioplastica biodegradabile in ambiente aperto. Si tratta di una linea di diversi pezzi associabili a vari tipi di cosmetici che l’utente potrà poi personalizzare.

Rimozione e recupero di ammonio da acque reflue tramite adsorbimento e scambio ionico utilizzando materiali innovativi

Presso i laboratori del DICAM dell’Università di Bologna, partner del progetto FIT4REUSE, si studiano materiali adsorbenti innovativi per la rimozione ed il recupero di ammonio e fosfato dalle acque reflue municipali, mediante processo di scambio ionico in continuo su letto fisso, con l’obbiettivo di separare e concentrare l’azoto e il fosforo al fine di ottenere prodotti utilizzabili come fertilizzanti. Nello specifico questo elaborato di tesi riporta lo studio di due geopolimeri per l’adsorbimento di azoto, il geopolimero Na1.2G e il K1.2G, e li confronta con il geopolimero G13 che finora ha mostrato le prestazioni migliori.

Nuovi trattamenti protettivi autopulenti a base di biossido di titanio per i materiali cementizi nel restauro dell’architettura del XX secolo: risultati di uno studio sperimentale in laboratorio

La presente tesi di laurea è finalizzata allo sviluppo di nuovi trattamenti protettivi autopulenti a base di biossido di titanio (TiO2) per la conservazione dei materiali cementizi storici tipici dell’architettura del XX secolo. Tale studio nasce dal crescente interesse verso i temi del restauro del Moderno così come testimoniato dalla recente pubblicazione del “Documento di Madrid – New Delhi” redatto dall’ICOMOS. Vengono analizzati i caratteri peculiari del restauro del Moderno, trovando punti di unione e di divergenza con il restauro tradizionale dell’architettura. In particolare, ci si concentra sulla descrizione delle attuali tecnologie in uso per il restauro dei materiali cementizi storici e sulle problematiche connesse alla scarsa considerazione di cui ancora godono tali materiali nell’ambito del restauro dell’architettura. In tale contesto, i trattamenti fotocatalitici sviluppati si propongono come soluzioni per la conservazione delle superfici architettoniche cementizie con pregio decorativo. Vista la scarsa presenza in letteratura di applicazioni a base di TiO2 su substrati cementizi, sono stati messi a punto alcuni trattamenti innovativi che vedono la dispersione di nanoparticelle di TiO2 in matrici inorganiche di silicato di etile e idrossiapatite. Tali consolidanti sono tra i più affermati nell’ambito del restauro dei materiali e la loro compatibilità con i substrati cementizi è stata attestata da precedenti studi. I trattamenti così elaborati vengono valutati in termini di efficacia autopulente e compatibilità coi substrati.

Studio sperimentale sull'efficacia e la compatibilità di trattamenti idrorepellenti su materiali da costruzione

La principale causa di degrado diretta e indiretta delle murature storiche è l’acqua e, per questo motivo, l’ultima fase di un intervento di restauro consiste nel proteggere la muratura superficialmente, ad esempio attraverso l'applicazione di trattamenti idrorepellenti. Questo elaborato presenta i risultati di una campagna sperimentale volte a testare l’efficacia e la compatibilità di quattro trattamenti idrorepellenti presenti in commercio, applicati a spray e pennello su tre tipi di materiale (due tipi di laterizi e una malta). Particolare attenzione è stata prestata a valutare la reale capacità di evaporazione dell'acqua eventualmente presente all'interno del muratura, un parametro importantissimo per scongiurare distacchi e difetti a valle dell'intervento di restauro.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Analisi e standardizzazione del ciclo commessa dei materiali in conto lavoro: il caso HP Composites S.p.A.

HP Composites, azienda leader nella produzione di componenti in fibra di carbonio, a seguito della crescita di ordini commissionati dai suoi clienti, ha deciso di affidare a dei fornitori la produzione di alcune commesse, in alcune o in tutte le fasi del loro ciclo. L’elaborato di tesi nasce da un’esperienza di tirocinio nell’ufficio pianificazione di HP Composites, e si pone l’obiettivo di analizzare tutte le attività che, evitando di dedicare risorse alle lavorazioni selezionate, deve compiere per supportare il fornitore; l’analisi è stata effettuata tramite la costruzione di un diagramma di flusso e fornendo un indicazione del tempo richiesto da ogni attività, per poi poi avanzare delle proposte di ottimizzazione. Il ciclo commessa può essere suddiviso in quattro fasi: scelta della commessa e selezione del fornitore, attivazione del fornitore, gestione settimanale dell’evasione degli ordini e gestione del fine commessa. L’ufficio acquisti nel tempo si è specializzato individuando i temi da chiarire prima di attivare la fornitura per evitare l’insorgere di problematiche a produzione già attivata. Per quanto riguarda la gestione settimanale del fornitore, è stato istituito il ruolo del responsabile delle esternalizzazioni, una figura che funga da intermediario con il fornitore e monitori la produzione esterna: questa figura apporta un'alta quantità di interazioni, ma HP valuta maggiori i vantaggi di questa gestione centralizzata. Inoltre nel tempo le attività pianificazione sono state ottimizzate grazie alla stesura di file precompilati da aggiornare. Un’attività fonte di inefficienza è quella dell’emissione dei documenti di trasporto, soprattutto nel caso in cui il compito di consegnare il prodotto al cliente è deputato al fornitore di conto lavoro: HP Composites ha intenzione di implementare un lettore barcode per l’emissione del documento che ridurrebbe i tempi richiesti dall’attività e permetterebbe una gestione del conto lavoro a sistema più corretta.

Processi ed innovazioni nel settore delle tecnologie out of autoclave per materiali compositi

Visto il crescente interesse nei confronti dei materiali compositi, per le numerose applicazioni e i vantaggi che offrono, stanno conoscendo notevole sviluppo le tecnologie Out of Autoclave (OoA). Esse sono alternative all'autoclave, che richiede tempi, costi e risorse maggiori, nonché ha una minore flessibilità. Le tecnologie OoA, invece, sono più rapide e meno costose, e stanno raggiungendo livelli di qualità e prestazioni molto vicini a quelli dell'autoclave. Questo elaborato presenta alcune delle innovazioni di maggior interesse, raggruppate per settori: processi, materiali e strutture dei laminati.

Caratterizzazione a flessione di materiali compositi per impiego automotive

L’introduzione dei materiali compositi all’interno dell’ambiente industriale ha modificato l’idea di progettazione delle strutture, permettendo il raggiungimento di eccellenti prestazioni difficilmente ottenibili con materiali classici. Grazie all’uso dei compositi si sono ottenute elevata resistenza e leggerezza, caratteristiche di grande interesse nell’industria aerospaziale, delle costruzioni civili e soprattutto del settore automobilistico. Il materiale composito viene considerato oggigiorno un materiale innovativo del quale non si conoscono in modo esaustivo tutte le caratteristiche. Da questa premessa è nata la campagna sperimentale di questa tesi, il cui scopo è la definizione della sequenza di laminazione per la realizzazione della molla posteriore per la sospensione del prototipo da competizione Emilia5, del team Onda Solare. Si è ricercata la configurazione che conferisse una rigidità flessionale maggiore rispetto a quelle campionate. Si è proceduto, quindi, allo studio delle possibili sequenze di laminazione con cui realizzare la molla e sono stati creati i provini utilizzando CFRP unidirezionale, materiale caratterizzato da un’elevata resistenza lungo l’asse longitudinale. I 5 provini realizzati si differenziano principalmente per le metodologie di sovrapposizione delle lamine contigue e per i materiali utilizzati. Sui provini realizzati è stata eseguita una caratterizzazione mediante prova di flessione in tre punti, dalla quale sono stati ricavati i dati necessari alla successiva analisi delle proprietà. Infine, con i risultati ottenuti si è proceduto alla determinazione della sequenza di laminazione ottimale per la realizzazione del prototipo.