Sintesi e proprietà fotovoltaiche di polimeri contenenti gruppi elettron donatori e accettori in catena principale

Negli ultimi anni è notevolmente aumentato l’interesse nei confronti dei materiali organici semiconduttori da utilizzare in diversi dispositivi, come, ad esempio, celle fotovoltaiche organiche (OPV). In questo campo si inseriscono i polimeri coniugati ed in particolar modo i polialchiltiofeni (PATs). In questa tesi di laurea magistrale vengono descritte sintesi di monomeri e polimeri tiofenici 3-alchil-sostituiti contenenti un'unità elettron accettrice di benzotiadiazolo. In particolar modo sono stati sintetizzati poli-4,7-bis-(3-esiltiofen-2-il)benzo [1,2,5]tiadiazolo e poli- 4,7 -bis-(3-metossiesiltiofene-2-il)benzo[1,2,5]tiadiazolo, studiando l’effetto dell’ossigeno presente in catena laterale sulle proprietà del materiale. È stata effettuata la caratterizzazione chimico fisica dei polimeri tramite analisi termiche DSC e TGA, cromatografia a permeazione su gel (GPC) e analisi UV-Vis e PL. Sono state inoltre effettuate prove di conducibilità testando i polimeri come materiali fotoattivi in celle fotovoltaiche SMOCs e BHJ, per valutare l’effetto dell’unità di benzotiadiazolo sul trasporto delle cariche.

Scissione ossidativa di acido oleico catalizzata da nanoparticelle di oro supportate

Questo lavoro di tesi si occupa della sintesi, caratterizzazione e applicazione in catalisi di nanoparticelle d’oro (AuNPs) supportate su silice o allumina funzionalizzate con PPTEOS. L’attività catalitica di Au/OS@Yne (OS= SiO2, Al2O3), insieme a quella del catalizzatore commerciale AUROlite™ è investigata per la reazione di ossidazione dell’acido oleico (raw material) a prodotti a più alto valore aggiunto, come l’acido azelaico e l’acido pelargonico. Sono inoltre sintetizzati i catalizzatori Au/SiO2@Yne-TMS (modificato con trimetilsilossano) e Au/SiO2@Yne-NEt3 (modificato con trietilammina), per studiare sulla stessa reazione di ossidazione l’effetto dell’acidità del supporto di SiO2. Tutti i catalizzatori sintetizzati vengono caratterizzati per mezzo di diverse tecniche complementari quali la spettroscopia di assorbimento atomico (AAS), la microscopia a trasmissione elettronica (TEM), l’analisi termogravimetrica (TGA), la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) in modo da determinarne le caratteristiche chimiche e strutturali quali il contenuto percentuale in peso di Au(0) e il diametro delle nanoparticelle. Inoltre, sono stati condotti preliminari studi di catalisi per la reazione di scissione ossidativa dell’acido oleico tramite nanomateriali basati su film di ossidi di manganese (MnO2 e Mn3O4) sintetizzati tramite Chemical Vapor Deposition (CVD). I vari test catalitici sono stati eseguiti al fine di ricercare un’alternativa sostenibile al processo industriale di ozonolisi dell’acido oleico sfruttando ossidanti organici come il tert-butilidroperossido e inorganici come l’H2O2. Per tutti i catalizzatori sono variate diverse condizioni di reazione, quali il solvente, la temperatura, i tempi di reazione e gli equivalenti di ossidante, focalizzandosi sull’ottimizzazione della reazione di scissione ossidativa. Infine è eseguito uno studio accurato sulla migliore metodologia per la caratterizzazione dei prodotti di reazione, attraverso analisi NMR, GC-MS e GPC.

Sviluppo e ingegnerizzazione di sistemi ibridi a base di nanoparticelle inorganiche e microalghe da applicare nella depurazione acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella produzione e ingegnerizzazione di nuovi sistemi ibridi ottenuti accoppiando nanoparticelle di titania con la microalga Chlorella Vulgaris, per applicazione nel settore del risanamento delle acque reflue. Lo studio è stato rivolto all’ottimizzazione del materiale, il quale integra due proprietà: l’attività fotocatalitica sfruttata per la degradazione degli inquinanti organici conferita dalla titania e la capacità di biosorbimento di metalli pesanti tipica della biomassa. I risultati hanno evidenziato effetti sinergici positivi promossi dalla dispersione della microalga sulla superficie dell’ossido ed in grado di migliorare le performance di biorimediazione del materiale. Al fine di favorire l’applicazione industriale del sistema catalitico preparato, i campioni prodotti in sospensione sono stati ingegnerizzati rimuovendo il solvente tramite tecnologia di Spray-Freeze-Drying. Con l’obiettivo di ottimizzare la formulazione e correlare le proprietà chimico-fisiche dei materiali alle performance ottenute, è stata svolta un’approfondita caratterizzazione sia sulle sospensioni (ELS, DLS) che sui prodotti granulati (BET, SEM-FEG, SEM-EDS). Le prestazioni funzionali dei campioni preparati sono state valutate rispetto alla reazione modello di fotodegradazione della Rodamina B e nell’assorbimento del catione rameico.

Studio mediante spettroscopia vibrazionale di foto-dimerizzazioni [2+2] in cristalli molecolari

Lo scopo della tesi è lo studio di fotoreazioni di cicloaddizione [2 + 2] in stato solido mediante l’utilizzo di tecniche di spettroscopia vibrazionale Raman e IR. La nostra attenzione si è focalizzata su processi di sistemi organici del tipo “crystal to crystal” (CC) o “single crystal to single crystal” (SCSC), che avvengono con la trasformazione del cristallo del reagente in quello del prodotto. Argomento principale del lavoro di tesi sono i cristalli dei sali di bromuro e cloruro dell’acido 4-ammino-trans-cinnamico, che dimerizzano sotto irraggiamento UV. Il lavoro fa parte di un progetto di ampio respiro svolto in collaborazione con ricercatori del Dipartimento di Chimica “G. Ciamician”, che coinvolge anche cristalli misti dei due sali. Lo studio condotto da loro mediante misure di diffrazione ai raggi X ha stabilito che il processo in esame è del tipo SCSC. L’indagine in microscopia Raman su cristallo singolo si è prefissa di analizzare, in funzione del tempo di irraggiamento, l’evoluzione dello spettro delle vibrazioni sia intramolecolari che reticolari, ottenendo in una stessa misura informazioni sulla trasformazione chimica e su quella di reticolo. A differenza di quanto avviene in processi di dimerizzazione CC con ricostruzione di fase, si è constatato che reazione chimica e cambio di reticolo avvengono in modo parallelo e simultaneo. Inoltre si è osservato che lo spettro delle vibrazioni reticolari evolve senza soluzione di continuità da quello della fase reagente a quello della fase prodotto. Questo è un risultato interessante, di un fenomeno mai osservato prima nello studio Raman di reazioni in stato solido. L’analoga indagine IR su polveri, che si limita alla vibrazione intermolecolare, ha permesso di ricavare la legge cinetica della reazione. Lo stesso metodo di indagine spettroscopica è stato applicato anche alla fotodimerizzazone con meccanismo [2 + 2] dell’acido trans-3-(2-furil)acrilico, processo interessante dal punto di vista industriale.

Sistemi di Regolazione dell'Alimentazione Affidabili per Processori Multi-Core

I moderni processori multi-core ad elevate prestazioni sono alimentati da regolatori di tensione integrati direttamente sul chip. Questi regolatori forniscono a ciascun power domain la tensione ottimale sulla base della sua attività, monitorata da una Power Control Unit. Questo consente da un lato di ottenere una riduzione dei consumi, dall'altro di avere un boost delle prestazioni in particolari contesti. Tali regolatori integrati sul die sono affetti da guasti e fenomeni di aging, che possono compromettere il corretto funzionamento del circuito. Questi problemi non sono tollerabili in contesti caratterizzati da esigenze di elevata reliability, come l'autonomous driving. Dunque, è stato sviluppato un monitor per rivelare on-line eventuali guasti che possono verificarsi durante il normale funzionamento sul campo. In caso di guasto il monitor è in grado di dare un'indicazione d'errore, che può essere utilizzata per attivare delle procedure di recovery. La soluzione proposta, basata su un approccio completamente differente rispetto a quello suggerito dallo standard ISO 26262, beneficia, rispetto a quest'ultima, di costi nettamente inferiori e prestazioni superiori. Il monitor può essere calibrato automaticamente per compensare le variazioni dei parametri di processo ed i fenomeni di aging che possono affliggere il monitor stesso. È stata verificata la self-checking ability del monitor rispetto a guasti di tipo transistor stuck-on, transistor stuck-open e bridging resistivo, risultando Totally Self-Checking rispetto all'insieme di guasti considerato.

Bidentate N-heterocyclic carbene complex of Manganese as catalyst for hydrosilylation and hydroboration of double and triple bonds

Scopo del presente lavoro di tesi è la sintesi di un complesso di manganese contenente un legante bis N-eterociclico e la sua applicazione come catalizzatore nelle reazioni di idrosililazione e idroborazione di doppi e tripli legami. I composti organici sililati e borilati sono importanti prodotti intermedi in diversi settori della chimica fine grazie alla loro stabilità e alla loro capacità di essere ampiamente funzionalizzati. Idroborazione e idrosililazione, grazie allo sviluppo di catalizzatori appositi, permettono di ottenere questi composti riducendo coprodotti, sottoprodotti e condizioni operative estreme. Generalmente i catalizzatori impiegati industrialmente contengono metalli di transizione costosi, rari e non biocompatibili. Per questo motivo negli ultimi anni la ricerca si è concentrata sullo sviluppo di nuovi catalizzatori a base di metalli della prima serie di transizione tra cui il manganese, noto per essere abbondante sulla crosta terrestre, economico e biocompatibile. I composti N-eterociclici (NHC) sono una classe di leganti tra le più utilizzate poiché oltre a una grossa variabilità di caratteristiche steriche ed elettroniche, consentono di stabilizzare la specie metallica. I complessi N-eterociclici di manganese sono stati scarsamente applicati nelle reazioni di idroborazione e idrosililazione. Per questo motivo, il gruppo dove ho svolto il mio tirocinio si è dedicato a questo tipo di ricerca, sintetizzando e testando un complesso bis-NHC di manganese nell’idrosililazione di carbonili e solfossidi. Il mio lavoro si inserisce all’interno di questo ampio progetto, applicando nuovamente lo stesso complesso su una serie di substrati e reazioni differenti. In particolare, l’idrosililazione è stata applicata su alchini, alcheni e su carbonili (in questo caso attivando il complesso con la luce visibile). Inoltre, si è testata l’attività catalitica del complesso nell’idroborazione di alchini.

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.

Charge accumulation and transport in degenerately doped semiconducting polymers with mixed ionic and electronic conductivity

This thesis is part of the fields of Material Physics and Organic Electronics and aims to determine the charge carrier density and mobility in the hydrated conducting polymer–polyelectrolyte blend PEDOT:PSS. This kind of material combines electronic semiconductor functionality with selective ionic transport, biocompatibility and electrochemical stability in water. This advantageous material properties combination makes PEDOT:PSS a unique material to build organic electrochemical transistors (OECTs), which have relevant application as amplifying transducers for bioelectronic signals. In order to measure charge carrier density and mobility, an innovative 4-wire, contact independent characterization technique was introduced, the electrolyte-gated van der Pauw (EgVDP) method, which was combined with electrochemical impedance spectroscopy. The technique was applied to macroscopic thin film samples and micro-structured PEDOT:PSS thin film devices fabricated using photolithography. The EgVDP method revealed to be effective for the measurements of holes’ mobility in hydrated PEDOT:PSS thin films, which resulted to be <μ>=(0.67±0.02) cm^2/(V*s). By comparing this result with 2-point-probe measurements, we found that contact resistance effects led to a mobility overestimation in the latter. Ion accumulation at the drain contact creates a gate-dependent potential barrier and is discussed as a probable reason for the overestimation in 2-point-probe measurements. The measured charge transport properties of PEDOT:PSS were analyzed in the framework of an extended drift-diffusion model. The extended model fits well also to the non-linear response in the transport characterization and results suggest a Gaussian DOS for PEDOT:PSS. The PEDOT:PSS-electrolyte interface capacitance resulted to be voltage-independent, confirming the hypothesis of its morphological origin, related to the separation between the electronic (PEDOT) and ionic (PSS) phases in the blend.

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.

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).

Intercalazione di grafene ossido in idrossidi doppi a strato per lo sviluppo di capacitori ibridi

In questo lavoro, sono state valutate le prestazioni di quattro tipi di LDH (Co/Al e Co/Fe entrambe con e senza GO nella soluzione di elettrodeposizione) per l'applicazione in stoccaggio di energia, andando a confrontare le capacità specifiche calcolate da voltammetrie cicliche e curve galvanostatiche di carica/scarica. I risultati di tali analisi hanno mostrato come l’LDH a base di Al sia più adatto all’applicazione di accumulo di energia, rispetto a quello con il Fe. Ulteriori caratterizzazioni, come l’XRD ed il SEM accoppiato con l'EDX, hanno confermato la maggior applicabilità dei LDH di Co/Al rispetto a quelli di Co/Fe, in quanto i primi presentano: una struttura più cristallina, una morfologia più uniforme ed un’intercalazione dell’ERGO migliore. Dopo la fase di scelta dell’LDH più performante ci si è dedicati alla caratterizzazione di un capacitore ibrido operante in fase liquida. Concluse le analisi, si è notato come l’ERGO porti all'aumento delle prestazioni del sistema (risultato in linea con quello riscontrato tramite lo studio degli LDH come componenti catodici singoli). Grazie allo studio delle performance a lungo termine è stato possibile verificare come l’ERGO aumenti la stabilità del sistema quando si sottopone quest’ultimo a stress protratto nel tempo. Successivamente, si è proseguito con lo studio di un capacitore ibrido operante in fase solida. Come nel caso del sistema in fase liquida, si è riscontrato un aumento di performance dovuto alla presenza di ERGO nella struttura finale degli LDH.

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).

Smart Textile Sensors for Healthcare Monitoring

Wearable electronic textiles are an emerging research field playing a pivotal role among several different technological areas such as sensing, communication, clothing, health monitoring, information technology, and microsystems. The possibility to realise a fully-textile platform, endowed with various sensors directly realised with textile fibres and fabric, represents a new challenge for the entire research community. Among several high-performing materials, the intrinsically conductive poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), doped with poly(styrenesulfonic acid) (PSS), or PEDOT:PSS, is one of the most representative and utilised, having an excellent chemical and thermal stability, as well as reversible doping state and high conductivity. This work relies on PEDOT:PSS combined with sensible materials to design, realise, and develop textile chemical and physical sensors. In particular, chloride concentration and pH level sensors in human sweat for continuous monitoring of the wearer's hydration status and stress level are reported. Additionally, a prototype smart bandage detecting the moisture level and pH value of a bed wound to allow the remote monitoring of the healing process of severe and chronic wounds is described. Physical sensors used to monitor the pressure distribution for rehabilitation, workplace safety, or sport tracking are also presented together with a novel fully-textile device able to measure the incident X-ray dose for medical or security applications where thin, comfortable, and flexible features are essential. Finally, a proof-of-concept for an organic-inorganic textile thermoelectric generator that harvests energy directly from body heat has been proposed. Though further efforts must be dedicated to overcome issues such as durability, washability, power consumption, and large-scale production, the novel, versatile, and widely encompassing area of electronic textiles is a promising protagonist in the upcoming technological revolution.

Towards cheaper, safer and low environmental impact materials for energy storage devices: natural resources-derived carbon based electrodes and aqueous electrolytes for supercapacitors

The growing market of electrical cars, portable electronics, photovoltaic systems..etc. requires the development of efficient, low-cost, and low environmental impact energy storage devices (ESDs) including batteries and supercapacitors.. Due to their extended charge-discharge cycle, high specific capacitance, and power capabilities supercapacitors are considered among the most attractive ESDs. Over the last decade, research and development in supercapacitor technology have accelerated: thousands of articles have been published in the literature describing the electrochemical properties of the electrode materials and electrolyte in addition to separators and current collectors. Carbon-based supercapacitor electrodes materials have gained increasing attention due to their high specific surface area, good electrical conductivity, and excellent stability in harsh environments, as well as other characteristics. Recently, there has been a surge of interest in activated carbon derived from low-cost abundant sources such as biomass for supercapacitor electrode materials. Also, particular attention was given to a major challenging issue concerning the substitution of organic solutions currently used as electrolytes due to their highest electrochemical stability window even though their high cost, toxicity, and flammability. In this regard, the main objective of this thesis is to investigate the performances of supercapacitors using low cost abundant safe, and low environmental impact materials for electrodes and electrolytes. Several prototypes were constructed and tested using natural resources through optimization of the preparation of appropriate carbon electrodes using agriculture by-products waste or coal (i.e. Argan shell or Anthracite from Jerrada). Such electrodes were tested using several electrolyte formulations (aqueous and water in salt electrolytes) beneficing their non-flammability, lower cost, and environmental impact; the characteristics that provide a promising opportunity to design safer, inexpensive, and environmentally friendly devices compared to organic electrolytes.