Sintesi e proprietà fotovoltaiche di politiofeni water- soluble

Nell’ottica di una limitazione dello sfruttamento di fonti fossili, della diminuzione delle emissioni di gas serra e dell’introduzione, nel mercato energetico, di dispositivi fotovoltaici organici (OPVs) che permettano di sfruttare l’energia solare conferendo leggerezza e flessibilità alle celle fotovoltaiche, è stato sintetizzato un nuovo polialchiltiofene contenente unità elettron-donatrici e accettrici in catena principale, da testare come strato fotoattivo all’interno di un dispositivo OPV. In particolare, a partire da 1,6-dibromoesano e 3-bromotiofene, è stato preparato 4,7-bis(3-(6-bromoesil)tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazolo mediante reazione di cross-coupling di Suzuki con l’estere pinacolico dell'acido 2,1,3-benzotiadiazolo-4,7-bis(boronico) e, successivamente, polimerizzato via metodo ossidativo con FeCl3. Il polimero ottenuto, poli(4,7-bis(3-(6-bromoesil)tiofen-2-il)-2,1,3-benzotiadiazolo), è stato caratterizzato mediante analisi TGA, DSC, FTIR-ATR, GPC, 1H-NMR e UV-Vis. Verrà, in seguito, post-funzionalizzato con tributilfosfina per ottenere un polimero ionico solubile in acqua o in solventi polari, al fine di evitare l’impiego di solventi aromatici o clorurati durante la deposizione del film polimerico all’interno della cella fotovoltaica.

Studio del reforming combinato del biogas su nanoparticelle bimetalliche supportate

The study of the combined reforming (CR) process to produce synthesis gas (CO + H2) feeding Clean Biogas (CB, biogas in which the main pollutants have been removed) has been performed on Ni-based bimetallic catalysts promoted by small amounts of Rh or Cu, prepared by incipient wetness impregnation or coprecipitation of different precursors on mixed oxides Mg/Al/O obtained by calcination of hydrotalcite-type (Ht) coprecipitates. It has been observed as the formation of bimetallic particles promoted the catalytic activity and limited the deactivation phenomena, allowing to operate at lower temperature and feeding lower amounts of steam. By this way, it was possible to define the best promoter, to tune its amount and the formation of the bimetallic nanoparticles. Finally, it has been simulated the scale-up of the CR process to industrial level, evaluating the feasibility and economic degree by comparison with the industrially exploited Autothermal reforming (ATR) process, evidencing the possible scalability and the advantages at environmental and energetic level in comparison to the current reforming processes.

Produzione di un filamento a base di acido polilattico additivato con rinforzo di origine naturale per additive manufacturing

Scopo dell'elaborato è stato la produzione di un materiale bio-composito formato da PLA ed un rinforzo di origine naturale derivante dal settore agricolo, nell'ottica di diminuire i costi dei manufatti costituiti da tale materiale, riducendo il contenuto di PLA, e rivalorizzare lo scarto di farine in applicazioni di stampa 3D. Inizialmente le farine sono state studiate mediante analisi spettroscopiche (FT-ATR), osservazioni al microscopio ottico e analisi TGA. Dopodiché sono stati prodotti filamenti per stampa 3D di materiale composito al 10% e caratterizzati termicamente (DSC, TGA, Cp) e meccanicamente (DMA). Successivamente alla stampa 3D di questi filamenti, sono stati analizzati comportamenti termici (CTE, DSC) e meccanici (prove di trazione, DMA) dei provini stampati. Si è infine valutata l'influenza del trattamento termico di ricottura sui provini stampati mediante analisi DSC e DMA.

Studio del processo di incisione laser su lastre in polietilene-tereftalato

Il presente elaborato si inserisce in un progetto di ricerca volto alla sostituzione del polistirene (PS) con il polietilene-tereftalato (PET) per la realizzazione di vasetti per yogurt, in formato singolo e multiplo, con l’obiettivo di ridurre l’impatto ambientale e allo stesso tempo aumentare le percentuali di riciclo del materiale utilizzato. La tenacità, caratteristica del PET, rende problematica l’incisione di quest’ultimo attraverso i classici sistemi meccanici utilizzati per il PS, per l’ottenimento di una rottura di tipo fragile in formati multipack. Al fine di ottenere una corretta incisione e una conseguente rottura fragile, per la separazione di due vasetti per yogurt adiacenti è stata focalizzata l’attenzione su tecnologie di taglio e incisione alternative a quella meccanica, più in particolare verso i sistemi efficienti, di taglio e incisione laser. In questo contesto, il progetto di tirocinio ha riguardato la caratterizzazione del processo di taglio e incisione laser di lastre di PET. In particolare, sono state effettuate analisi dinamometriche al fine di studiare il comportamento meccanico del PET e di confrontarlo con quello del PS, sono state condotte analisi di viscosità intrinseca e di spettroscopia infrarossa ATR-IR per verificare la presenza di un processo degradativo, in seguito al passaggio del laser sul materiale. Infine, sono stati caratterizzati alcuni prodotti di degradazione, appartenenti alla frazione pesante, mediante analisi NMR e ESI-MS, e sono stati eseguiti dei test di migrazione globale.

Synthesis, Characterization, and Applications of a Novel Cu(II)-MOF Based on a Propargylcarbamate-Functionalized Isophthalate Ligand

This work describes the synthesis of a propargylcarbamate-functionalized isophthalate ligand and its use in the solvothermal preparation of a new copper(II)-based metal organic framework named [Cu(1,3-YBDC)]ˑxH2O (also abbreviated as Cu-MOF. The characterization of this compound was performed using several complementary techniques such as infrared (ATR-FTIR) and Raman spectroscopy, X-ray powder diffraction spectroscopy (PXRD), scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic absorption spectroscopy (AAS) as well as thermal and surface area measurements. Synchrotron X-ray diffraction analysis revealed that this MOF contains a complex network of 5-substituted isophthalate anions bound to Cu(II) centers, arranged in pairs within paddlewheel (or “Chinese lantern”) structure with a short Cu…Cu distance of 2.633 Å. Quite unexpectedly, the apical atom in the paddlewheel structure belongs to the carbamate carbonyl oxygen atom. Such extra coordination by the propargylcarbamate groups drastically reduces the MOF porosity, a feature that was also confirmed by BET measurements. Indeed, its surface area was determined to be low (14.5 ± 0.8 m2/g) as its total pore volume (46 mm3/g). Successively the Cu-MOF was treated with HAuCl4 with the aim of studying the ability of the propargylcarbamate functionality to capture the Au(III) ion and reduce it to Au(0) to give gold nanoparticles (AuNPs). The overall amount of gold retained by the Cu-MOF/Au was determined by AAS while the amount of gold and its oxidation state on the surface of the MOF was studied by XPS. A glassy carbon (GC) electrode was drop-casted with a Cu-MOF suspension to electrochemically characterize the material through cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The performance of the modified electrodes towards nitrite oxidation was tested by CV and chronoamperometry.

Indagini sperimentali per la determinazione di microplastiche nelle acque reflue e nei fanghi di depurazione

Le microplastiche (MP) rientrano nella categoria di contaminanti emergenti per la loro pericolosità e persistenza nell'ecosistema. Gli impianti di trattamento acque sono identificati come una fonte principale di MP per l’ambiente. A causa della mancanza di metodi di separazione standard per le MP da fanghi ed acque reflue, nel presente lavoro sperimentale, sono testati diversi metodi di separazione delle MP da campioni di fanghi e acque di due impianti reali. Tramite analisi allo stereomicroscopio e identificazione della struttura polimerica mediante spettroscopia infrarossa in riflettanza totale attenuata (FTIR-ATR) si sono ottenute delle prime stime sulle quantità di MP all’interno dei depuratori che andranno vagliate con successive prove. In generale c’è una grande variabilità associata al punto di prelievo, al periodo di campionamento e alle caratteristiche del refluo. I dati sperimentali confermano la presenza di MP sia nelle acque che nei fanghi. Per la linea acque sono esaminati un trattamento convenzionale a fanghi attivi di un piccolo impianto (1) e un trattamento terziario di filtrazione a sabbia con peracetico e UV di un impianto di potenzialità superiore (2). Seppure le efficienze di rimozione siano alte (93,37% per l’impianto 1 e 59,80% per il 2), i carichi di MP rilasciati in ambiente sono elevati a causa delle portate trattate. Il fatto che MP della stessa morfologia e colore si ritrovino in setacci di differenti dimensioni e che le concentrazioni aumentino al diminuire della dimensione, suggerisce che subiscano svariate frammentazioni a monte del campionamento. Per i fanghi sono testati 3 metodi di pretrattamento individuando il migliore in quello con pre-digestione con H2O2 e separazione per densità con NaI che verrà in seguito implementata. Nei fanghi tendono a concentrarsi le MP rimosse dalla linea acque che di solito sono quelle di densità maggiore, infatti si riscontra prevalenza di microparticelle.

Polyaniline-based materials and nanocomposites: from energy storage to sensing applications

The research work described in this thesis concerns materials for both energy storage and sensoristics applications. Firstly, the synthesis and characterization of magnetite (Fe3O4) functionalyzed with [3-(2-propynylcarbamate)propyl]triethoxysilane (PPTEOS) capable to reduce the gold precursor chloroauric acid (HAuCl4) without the need of additional reducing or stabilising agents is described. These nanoparticles were tested to improve performances of symmetric capacitors based on polyaniline and graphite foil. Energy storage applications were investigated also during six months stay at EPFL University of Lausanne where an investigation about different tailored catalysts for Oxygen Evolution Reaction in a particular Redox Flow Battery was carried out. For what concerns sensing applications, new materials based on cellulose modified with polyaniline and poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PAAMPSA) were synthesized, characterized and applied to monitor pressure, humidity, heart rate and lastly, bread fermentation in collaboration with the University of Fribourg and Zurich. The characterizations of all the materials investigated compriseed numerous techniques such as infrared attenuated total reflectance spectroscopy (IR-ATR), thermogravimetric analysis (TGA), scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM), alongside linear and cyclic voltammetry (LSV and CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and chronoamperometric analyses.

Integration of by-products and waste from agri-food supply chains into the «water-energy-food» nexus (RECOW-ER): the role of fungi

The agricultural sector is undoubtedly one of the sectors that has the greatest impact on the use of water and energy to produce food. The circular economy allows to reduce waste, obtaining maximum value from products and materials, through the extraction of all possible by-products from resources. Circular economy principles for agriculture include recycling, processing, and reusing agricultural waste in order to produce bioenergy, nutrients, and biofertilizers. Since agro-industrial wastes are principally composed of lignin, cellulose, and hemicellulose they can represent a suitable substrate for mushroom growth and cultivation. Mushrooms are also considered healthy foods with several medicinal properties. The thesis is structured in seven chapters. In the first chapter an introduction on the water, energy, food nexus, on agro-industrial wastes and on how they can be used for mushroom cultivation is given. Chapter 2 details the aims of this dissertation thesis. In chapters three and four, corn digestate and hazelnut shells were successfully used for mushroom cultivation and their lignocellulosic degradation capacity were assessed by using ATR-FTIR spectroscopy. In chapter five, through the use of the Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) spectroscopy was possible to set-up a new method for studying mushroom composition and for identifying different mushroom species based on their spectrum. In chapter six, the isolation of different strains of fungi from plastic residues collected in the fields and the ability of these strains to growth and colonizing the Low-density Polyethylene (LDPE) were explored. The structural modifications of the LDPE, by the most efficient fungal strain, Cladosporium cladosporioides Clc/1 strain were monitored by using the Scanning Electron Microscope (SEM) and ATR-FTIR spectroscopy. Finally, chapter seven outlines the conclusions and some hints for future works and applications are provided.

Drug of abuse analysis: new methods in herbal and biological matrices for medicinal chemistry and forensic investigation

In this Ph.D. project, original and innovative approaches for the quali-quantitative analysis of abuse substances, as well as therapeutic agents with abuse potential and related compounds were designed, developed and validated for application to different fields such as forensics, clinical and pharmaceutical. All the parameters involved in the developed analytical workflows were properly and accurately optimised, from sample collection to sample pretreatment up to the instrumental analysis. Advanced dried blood microsampling technologies have been developed, able of bringing several advantages to the method as a whole, such as significant reduction of solvent use, feasible storage and transportation conditions and enhancement of analyte stability. At the same time, the use of capillary blood allows to increase subject compliance and overall method applicability by exploiting such innovative technologies. Both biological and non-biological samples involved in this project were subjected to optimised pretreatment techniques developed ad-hoc for each target analyte, making also use of advanced microextraction techniques. Finally, original and advanced instrumental analytical methods have been developed based on high and ultra-high performance liquid chromatography (HPLC,UHPLC) coupled to different detection means (mainly mass spectrometry, but also electrochemical, and spectrophotometric detection for screening purpose), and on attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) for solid-state analysis. Each method has been designed to obtain highly selective, sensitive yet sustainable systems and has been validated according to international guidelines. All the methods developed herein proved to be suitable for the analysis of the compounds under investigation and may be useful tools in medicinal chemistry, pharmaceutical analysis, within clinical studies and forensic investigations.

Synthesis, characterization and potential applications of novel metal-organic frameworks

​The research work described in this thesis concerns the synthesis, characterization, and applications of two kinds of metal-organic frameworks (MOFs), Copper based MOF (Cu-MOF) and zirconium based MOF (Zr-MOF) functionalized with new linkers. ​The common thread of this research project can be summarized in three work phases: ​first, the synthesis and characterization of new organic linkers is described, followed by the presentation of the different optimization conditions for the MOFs synthesis. ​Second, the new materials were fully characterized using several complementary techniques, such as infrared (ATR-FTIR) and Raman spectroscopy, X-ray powder diffraction spectroscopy (PXRD), scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic absorption spectroscopy (AAS) as well as thermal and surface area measurements. ​Final, to obtain a complete work the possible environmental applications of the new materials were explored.

Influence of additives on the performance of a PVDF membrane

The field of use of membranes is wide and ranges from the automotive industry to biomedical uses. Many formulations and compositions find a niche where they are able to improve efficiency, running cost and quality of the product. The aim of this research is to expand GVS’s product portfolio introducing a new membrane formulation. A series of additives were researched and evaluated, adding them to the membrane solutions, which were then cast and characterised using techniques like Scanning Electron Microscopy (SEM), poroscopy, FT-IT ATR and measurements like Water Break Through (WBT), Air Flow (AF), thickness. This study ultimately focused on one additive, which effect on the membranes was studied in various compositions. Interesting insights were also collected on the stability of the polymer solutions over time, which was found to change the membrane properties significantly, mainly affecting airflow and water breakthrough. Properties of the membranes were studied to find possible correlations to the amount of additive. The additive seems however to change the membrane porometry considerably depending on the time of immersion in the water bath. A new procedure to yield uniform unsupported polymeric membranes for tensile tests was developed. The additive was found to reduce elongation at break and decrease tensile strength of the membranes, possibly hinting toward plasticization of the product.

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.

Studio della permeabilità di CO2 e N2 in membrane composite di Aquivion e PVAm

Per mitigare il notevole aumento di emissioni di gas serra, molti studi si stanno focalizzando sulle membrane a trasporto facilitato per la separazione e la cattura di CO2. In particolare, le tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS) hanno ridestato interesse basandosi principalmente sulla cattura dell’anidride carbonica. L’obiettivo di questo studio è stato di migliorare le prestazioni di selettività nell’Aquivion, membrana ionomerica dell’acido perfluorosolfonico. Gli ottimi valori di permeabilità che raggiunge hanno portato quindi a focalizzare le ricerche sul miglioramento della capacità selettiva tra CO2 e N2. Infatti, la permeabilità e la selettività sono considerati parametri di trade-off, all’aumento di uno corrisponde la diminuzione dell’altro. Inoltre, le buone prestazioni delle membrane a trasporto facilitato in presenza di gruppi amminici hanno portato al tentativo di associare ad un materiale come l’Aquivion, dalla buona conduttività protonica, la Polivinilammina. Le ammine in membrane a trasporto facilitato sono infatti in grado di legare selettivamente l’anidride carbonica. Il presente lavoro si è inizialmente focalizzato sulla purificazione della Polivinilammina e sull’accoppiamento delle due membrane. In seguito alla realizzazione, i film sono stati caratterizzati mediante spettroscopia FTIR-ATR e infine testati in condizioni di umidità con l’utilizzo di un permeometro. È infatti ampiamente studiato come migliorare la permeabilità dell’Aquivion all’aumentare dell’umidità. In conclusione, in condizioni di alta adesione della Polivinilammina all’Aquivion la selettività ad alte umidità è aumentata rispetto ai valori di letteratura in articoli condizioni.