Sintesi e caratterizzazione di eptameri a base tiofenica con sequenza D-A1-D-A-D-A1-D per applicazioni in BHJ solar cells

L’interesse della ricerca scientifica sta crescendo sempre più tra i materiali a base tiofenica, spinta dalle loro sorprendenti proprietà funzionali e semiconduttive. Gli oligotiofeni trovano infatti applicazione in molti campi interdisciplinari, in particolare nei dispositivi fotovoltaici organici. In questo studio è stato sintetizzato un nuovo eptamero T7-Bz-TSO2 con sequenza D-A1-D-A-D-A1-D grazie alla reazione di cross-coupling Suzuki-Miyaura catalizzata da un complesso di palladio e assistita da microonde. Questo lavoro si è incentrato sull’introduzione di una nuova unità tiofenica S,S-diossidata lungo la catena oligomerica principale e sullo studio delle diverse proprietà ottiche ed elettrochimiche del nuovo materiale, utilizzato come strato fotattivo in una cella solare organica di tipo bulk heterojunction (BHJ). Lo studio dei parametri di cella ha rivelato una promettente natura ambipolare del T7-Bz-TSO2, non comune in questa classe di composti e di grande interesse per lo sviluppo di dispositivi fotovoltaici organici.

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.

Sintesi e caratterizzazione di batterie tipo rocking chair basate sugli analoghi del blu di Prussia

La rapida espansione del mercato delle batterie incalza lo sviluppo di materiali elettrodici basati su elementi largamente disponibili sulla crosta terrestre, rispettosi dell'ambiente ed economicamente sostenibili. Nel presente elaborato si effettua lo studio di elettrodi basati sugli analoghi del blu di Prussia (PBA) come una classe di composti inorganici che presenta diverse proprietà elettrochimiche adatte per applicazioni legate all’energy storage. A tal riguardo, la sintesi del PBA ferro esacianocobaltato (FeHCC) è stata effettuata mediante un metodo di coprecipitazione semplice e poco costoso. L’utilizzo di tecniche analitiche quali XAS, PXRD, MP-AES e TGA ha permesso di ricavare la composizione del ferro esacianocobaltato, dell'esacianoferrato di titanio e del manganese esacianoferrato nonché diverse informazioni di carattere strutturale. In seguito, le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi sono state valutate mediante voltammetria ciclica, utilizzando come agenti intercalanti gli ioni K+ e Na+ contenuti nel relativo elettrolita acquoso.Infine, grazie ai dati così ottenuti, è stato possibile assemblare e testare diversi layout di coin cell in configurazione rocking chair completamente basate su elettrodi PBA; anche in questo caso, la voltammetria ciclica e le tecniche galvanostatiche sono state utilizzate per valutare le prestazioni elettrochimiche e raccogliere informazioni sulla capacità gravimetrica ottenibile da questi dispositivi.

Studio e sintesi di politiofeni water-soluble contenenti gruppi elettron donatori e accettori in catena principale

Il progressivo esaurimento delle risorse fossili e l’incremento delle problematiche ambientali legate al rilascio di gas serra contribuiscono alla ricerca e all’utilizzo di fonti energetiche alternative. In questo scenario, i dispositivi fotovoltaici organici (OPVs) rappresentano uno dei modi più affascinanti e promettenti per trasformare l’energia solare, una riserva energetica potenzialmente inesauribile, a costo nullo e non inquinante, in energia elettrica. Materiali organici utilizzabili in questi dispositivi sono i polimeri π-coniugati. In quest’ottica, il lavoro è stato focalizzato sulla preparazione di due nuovi polimeri: il primo, contenente unità elettron-donatrici e accettrici in catena principale, ottenuto via polimerizzazione ossidativa in presenza di FeCl3 e successivamente post-funzionalizzato con tributilfosfina per renderlo ionico e idrosolubile; il secondo, a base di politiofene non ionico ma polare, avente funzionalità eteree nelle catene laterali, preparato sfruttando il metodo GRIM. Questi materiali sono stati caratterizzati mediante analisi spettroscopiche e verranno successivamente testati all’interno di celle solari fotovoltaiche organiche aventi configurazione SMOSCs (il primo) e BHJ (il secondo).

Sintesi e caratterizzazione di catalizzatori a base di nanoparticelle di oro per l'ossidazione dell'HMF

L’uso di molecole stabilizzanti (polimeri, surfattanti o leganti organici) nel corso della sintesi di nanoparticelle in sospensione è fondamentale per permettere il controllo della dimensione della fase attiva e per evitare l’aggregazione dei colloidi nella fase di sintesi e deposizione del sol metallico sul supporto. Nonostante questo, molto spesso, l’effetto dello stabilizzante non è solo quello di modificare le proprietà morfologiche (ad esempio la dimensione) delle nanoparticelle supportata ma anche di cambiare l’interazione della fase attiva con i reagenti dal punto di vista elettronico e diffusionale. La messa a punto di metodologie di sintesi controllate ed efficaci è molto importante. Le tecniche di sintesi utilizzate per la preparazione di catalizzatori a base di metalli nanostrutturati sono innumerevoli, ma una metodologia particolarmente interessante, che garantisce piccole dimensioni delle nanoparticelle ed un’elevata distribuzione del metallo sul supporto, è la tecnica della sol-immobilization. In questo lavoro di tesi è stato studiato come il tipo e la quantità di stabilizzante influisce sulla dimensione della nanoparticella e sull’attività catalitica del catalizzatore, usando come reazione modello l’ossidazione selettiva dell’5-idrossimetilfurfurale (HMF) ad acido 2,5 furandicarbossilico (FDCA).

Determinazione delle barriere rotazionali di nuovi atropisomeri N-N: confronto tra metodi DFT e sperimentali.

Theoretical DFT calculations on rotational barriers of tetrasubstituted hydrazines were performed in order to synthesize new enantioenriched atropoisomers with chiral N-N axis. The molecules studied were chosen to be subsequently synthesized through asymmetric organocatalysis. New atropoisomers with chiral N-N axis were synthesized through organocatalysis methods via enamine or phase transfer. Cinchona alkaloid derivatives were used as catalysts. HPLC analyzes show that the three new synthesized molecules are atropoisomers at room temperature. Using an asymmetric procedure to synthesize the molecules studied, it was possible to generate enantiomeric excesses that remained unchanged for more than three weeks. The experimental rotational barrier of one of the three synthesized compounds was calculated. The experimental energy barrier at 25°C (ΔG^≠=25,7 kcal/mol) was lower than the DFT calculations and with a tendency to increase with temperature, due to a negative reaction entropy.

Sintesi e caratterizzazione di micelle polimeriche stabilizzate da un rivestimento di polidopamina

Questa tesi presenta la sintesi di un copolimero a blocchi successivamente funzionalizzato per ottenere le caratteristiche necessarie alla formazione di micelle con l’obbiettivo di un futuro impiego nel campo del drug delivery. Si è cominciato con la sintesi del copolimero poli(glicidil metacrilato)-block-poli(metil metacrilato) mediante tecnica di polimerizzazione radicalica controllata RAFT al fine di ottenere una distribuzione di peso molecolare e polidispersità definite.La funzionalizzazione del copolimero ottenuto tramite uno specifico nucleofilo, la morfolina, fornisce una nuova molecola (PHMPMA-b-PMMA) con caratteristiche anfifiliche e capace di autoassemblarsi in micelle polimeriche. Le micelle così ottenute sono state ulteriormente stabilizzate fisicamente mediante la reticolazione di polidopamina (PDA) sulla superficie esterna della micella e quindi analizzate mediante varie tecniche analitiche (UV-Vis; IR; TGA) per correlare il grado di reticolazione finale alla quantità di dopamina aggiunta in soluzione.

Sintesi e studio dell'attività catalitica, in reazioni di idrogenazione e trasferimento di idrogeno, di cluster carbonilici idrurici di rutenio e iridio

Il presente elaborato finale è incentrato sulla sintesi, caratterizzazione e studio della reattività di nuovi cluster idrurici carbonilici di rutenio e iridio a bassa nuclearità; inoltre, l’attività catalitica di suddetti cluster è stata valutata in modo preliminare in reazioni di idrogenazione e trasferimento di idrogeno. In particolare è stata ottimizzata la sintesi del composto [NEt4][H2Ru3Ir(CO)12] (2), cluster principale dello studio catalitico, e sono stati sintetizzati altri cinque cluster bimetallici Ru-Ir di cui non risulta nota la struttura in letteratura: [H3Ru3Ir(CO)12] (3), [PPN]2[H2Ru3Ir(CO)12] (4a) ([PPN]+= [N(PPh3)2]+), [NEt4][HRu3Ir2(CO)12(COD)] (5) (COD = C8H12) e [H2Ru3Ir2(CO)10(COD)2]-[HRu2Ir3(CO)12(COD)2] (miscela 1:1) (6). Tutte le specie ottenute sono state caratterizzate mediante diffrazione a raggi X su cristallo singolo (SC-XRD), spettrometria di massa ESI-MS, spettroscopia IR e 1H-NMR. Il cluster 2 è risultato attivo nella reazione di idrogenazione di doppi legami polari mediante meccanismo di H transfer, utilizzando iPrOH come fonte di idrogeno, e 4-fluoro acetofenone come substrato modello; inoltre, con l'utilizzo di un'autoclave, si sono condotte prove di idrogenazione sotto pressione di idrogeno molecolare H2 utilizzando come substrato trans-cinnamaldeide, al fine di valutare l'effetto del catalizzatore sia in presenza di gruppi C=O che di un doppio legame C=C (aldeide α,β insatura).

Sintesi di compositi nanostrutturati a base di TiO2 per la depurazione delle acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella realizzazione di fotocatalizzatori a base di nano-TiO2 per potenziali applicazioni nel campo della depurazione delle acque reflue. Nello specifico sono stati sintetizzati nanocompositi accoppiando nano-TiO2 a due materiali grafitici: ossido di grafene (GO), tramite ultrasonicazione (TGO) e nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4), attraverso due tecniche: ultrasonicazione e polimerizzazione termica in situ. Per i compositi TGO lo studio relativo alla sintesi è stato rivolto all’ottimizzazione della percentuale in peso di GO. Per i compositi a base di g-C3N4 lo scopo è stato quello di valutare quale dei due metodi di sintesi fosse il più efficace. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati dal punto di vista chimico-fisico (DLS-ELS, XRD, Band Gap, BET, SEM, FT-IR, TGA-DSC) e funzionale. La caratterizzazione funzionale è stata eseguita per valutare le prestazioni fotocatalitiche dei fotocatalizzatori nanocompositi utilizzando, come reazione modello, la fotodegradazione di Rodamina B, sotto luce UV e solare. I risultati hanno messo in luce che la percentuale ottimale di GO, nei compositi TGO, è pari al 16%. Inoltre, è stato osservato un effetto sinergico tra TiO2 e GO dove i nanocompositi TGO hanno mostrato maggiore attività fotocatalitiche rispetto alla singola TiO2. I dati fotocatalitici hanno evidenziato che il metodo ottimale per la preparazione dei compositi a base di g-C3N4 e TiO2, è la polimerizzazione termica in situ a 500°C.

Ottimizzazione del processo di distillazione per il recupero del TiCl4 in un impianto di sintesi dei catalizzatori Ziegler-Natta

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio di fattibilità e valutazione comparativa di soluzioni impiantistiche e di processo finalizzate all’ottimizzazione dell’attuale sezione di distillazione di un impianto di produzione dei catalizzatori Ziegler-Natta. Il TiCl4 figura tra i principali reagenti impiegati nella sintesi dei catalizzatori, ma la tecnologia attualmente in uso non ne consente il totale recupero. A partire da una panoramica dell’intero processo produttivo dei catalizzatori Ziegler-Natta, si sono analizzate le criticità della sezione di distillazione e si sono valutate possibili soluzioni. Con l’obiettivo di ottenere un significativo recupero del TiCl4 rispetto alla situazione attuale, lo studio di fattibilità si è orientato verso un processo di distillazione con solvente. Al fine di valutare l’efficacia di tale soluzione, si è utilizzato il programma Aspen Plus V12. I principali composti coinvolti nel processo, che verranno implementati nell’ambiente di simulazione, sono: il TiCl4, il TiCl3(OC2H5) e un solvente. Quest’ultimo è il risultato di una ricerca tra sostanze con proprietà idonee al processo di distillazione studiato. Per ognuno dei composti sono richieste le principali proprietà termo-fisiche. Tuttavia, per il TiCl3(OC2H5) non vi sono informazioni disponibili presso le banche dati e la molecola è termicamente instabile. È stato perciò impiegato un particolare approccio ai contributi di gruppo per stimarne le proprietà d’interesse. Il solvente adottato è costituito da una miscela di isomeri: sono state effettuate delle misurazioni al fine di confermare un composto puro per l’ambiente di simulazione. Le simulazioni di processo hanno permesso di condurre con successo lo studio di fattibilità. Ulteriori proposte impiantistiche e per apparecchiature sono state valutate a completamento di tale studio. Il presente lavoro è stato svolto presso il centro Ricerche e Sviluppo “Giulio Natta” nella sede di Ferrara di LyondellBasell Industries.

Dalla Sintesi di Leganti Polimerici alla Realizzazione di Adesivi da Parquet

This final report is part of a research project by Kerakoll S.P.A aimed to the realization and optimization of hybrid adhesive for the parquet using hybrid polyurethane silanizated (STPU). Hybrid polymers belong to polyurethane polymers which undergo an hybridization process where the classic isocyanate groups are converted into a alkoxysilylether terminated chain. The aim of this thesis was to realize hybrid polymers with specific proprieties compared to the indexes wanted by the company; another goal of this project was to use this polymers STPU to realize adhesive for the parquet which should be competitive in the adhesive market. All activities were carried out in a chemistry laboratory with specific tools for the synthesis of polymers and characterization of the finals products. The study led to two prototypes; the second was obtained thanks to the use of the experimental design procedure known as DOE (Design Of Experiment), a recently acquired approach by the company, which allows the rationalization of the formulas and the creation of a database that can be extended and implemented indefinitely.

Sintesi e caratterizzazione di complessi di zinco per applicazione in campo agronomico

Il presente elaborato finale si inserisce in un progetto di ricerca, svolto in collaborazione con il gruppo di ricerca di chimica metallorganica e l’azienda Biolchim S.p.A, volto alla sintesi e caratterizzazione di nuovi complessi di zinco, solubili in acqua, da impiegare nel campo agronomico come fertilizzanti. Diversi leganti sono stati studiati per la creazione di chelati di zinco, tra cui acido citrico, amminoacidi quali glicina ed alanina e acido o-idrossimandelico. La stabilità dei diversi complessi sintetizzati è stata studiata in funzione di vari range di pH e temperatura, così da valutarne la resistenza in condizioni simili a quelle reali in suolo. I prodotti solidi sono stati caratterizzati tramite IR-ATR e NMR; i complessi di zinco citrato e zinco-acido o-idrossi mandelico sono stati studiati mediante spettrometria di massa e un’analisi elementare.

Sintesi di dimetiladipato da carbonati organici e ciclopentanone utilizzando catalizzatori eterogenei a base di zinco

Lo scopo di questo progetto è studiare e sviluppare una sintesi alternativa del dimetiladipato (DMA), a partire da ciclopentanone (CPO) e dimetilcarbonato (DMC), con l’utilizzo di un ossido misto di zinco e magnesio come catalizzatore eterogeneo. Le prove sono state svolte in fase liquida con un reattore operante in condizioni discontinue (batch). In particolare, si è investigato l’effetto di diversi parametri operativi sulla reazione quali il tempo, il rapporto molare di alimentazione dei due reagenti, il carico catalitico utilizzato, il rapporto atomico Zn/Mg nel catalizzatore e la temperatura. Una volta individuate le migliori condizioni, si è valutata la possibilità di svolgere la reazione in due step, per cercare di incrementare la resa di DMA. Inizialmente, si è studiato solo il secondo step, cioè la reazione fra l’intermedio (carbossimetilciclopentan-2-one) e il metanolo e si sono ottenute rese di DMA del 92% con un rapporto MeOH:Intermedio di 150:1. Dopo aver ricavato le migliori condizioni di tale reazione, si è svolta la reazione completa a due step e si è dimostrato che è possibile condurre il secondo step a temperature più basse rispetto al primo, per convertire l’intermedio rimasto a DMA e migliorarne la resa dal 32% al 40%.

Sintesi e caratterizzazioni termiche e meccaniche di nanocompositi a base di resina epossidica e nanoplacchette di grafene

In questo lavoro sono stati realizzati e caratterizzati materiali nanocompositi utilizzando come matrice un polimero reticolato e come riempitivo nanocarbonio. Il riempitivo utilizzato è stato sintetizzato e caratterizzato morfologicamente in laboratorio. Nella prima parte della tesi si è studiato e ottimizzato il processo di dispersione del riempitivo nella matrice tramite un miscelatore planetario e un nanomiscelatore. Successivamente si è proceduti a realizzare un set di nanocompositi a differente percentuale (peso/peso) di riempitivo i quali sono stati caratterizzati morfologicamente. Dopo di che si è proceduti con l’ottimizzazione del processo di reticolazione dei nanocompositi i quali sono stati successivamente caratterizzati tramite prove termiche, meccaniche e morfologiche al fine di osservare le modifiche apportate dal riempitivo alla matrice polimerica.

Sintesi assistita al microonde di nanoparticelle Au/Pt per applicazioni catalitiche

Negli ultimi decenni la necessità di salvaguardare l’ambiente ha portato ad un importante sviluppo dei processi catalitici con particolare attenzione agli aspetti di sostenibilità e impatto ambientale. Le nanoparticelle metalliche, note per le ottime proprietà catalitiche, ricoprono un ruolo fondamentale nel settore della catalisi. Al fine di innescare effetti sinergici e ottenere catalizzatori più performanti, la ricerca si sta orientando verso lo studio di nanoparticelle bimetalliche o multicomponente. Questo lavoro di tesi presenta la sintesi di nanoparticelle di Au, Pt e AuPt applicabili in catalisi e preparate mediante un processo a basso impatto ambientale assistito da microonde. Un’estesa caratterizzazione chimicofisica dei prodotti (DLS/ELS, UV-VIS, ICP-OES, XRD; TEM-EDS) ha consentito di ottimizzare le sintesi rispetto a distribuzione granulometrica, stabilità colloidale, resa di reazione e composizione di fase. Per AuPt NPs si sono sviluppate due preparazioni finalizzate all’ottenimento di diverse nanostrutture, core-shell e leghe. Infine, le prestazioni catalitiche dei campioni preparati sono state valutate mediante idrogenazione di 4-nitrofenolo (4-NP) a 4-amminofenolo (4-AP) in presenza di NaBH4, una reazione modello utilizzata per testare l'attività catalitica di nanometalli. Il campione in lega, Au97.5Pt2.5, e il campione core-shell, Au90@Pt10, hanno evidenziato effetti sinergici positivi con una migliore attività catalitica rispetto ai monometalli.