Sviluppo di un sensore elettrochimico modificato per la determinazione quantitativa di ammoniaca in fase gassosa

Oggigiorno, a causa dell’aumento delle emissioni gassose di ammoniaca, occorre far fronte alla necessità di salvaguardare l’ambiente e la salute degli esseri viventi. A tale scopo, stanno acquisendo sempre più interesse dispositivi portatili che forniscano quantificazioni accurate. Grazie alle interessanti prestazioni esibite dai transistor elettrochimici organici (OECTs) a base di PEDOT:PSS, per la quantificazione di analiti in ambiente acquoso, nasce l’idea di realizzare un sensore elettrochimico ad essi ispirato e in grado di effettuare determinazioni in fase gas. Si vuole realizzare una tipologia di sensore a due terminali che unisca l’elettronica di lettura semplificata, l’amplificazione del segnale e il basso apporto di energia necessario garantito dagli OECTs, ad una geometria adeguata anche per applicazioni non convenzionali. Tale dispositivo viene modificato tramite elettrodeposizione di particelle di IrO2 per rendere il canale polimerico sensibile alle variazioni di pH e sottoposto a dip coating in un idrogel semi-solido per garantire la presenza di un’interfaccia efficace tra il materiale sensibile e l’aria circostante in cui si vuole quantificare ammoniaca. Questo lavoro di tesi ha comportato una prima fase di progettazione del sensore, dove vengono valutati i parametri di deposizione e caratterizzazione delle particelle sintetizzate e del materiale composito finale, la corretta formulazione del substrato gel per un’interfaccia solido-gas efficace ed una seconda, dove l’attenzione è invece volta all’ottimizzazione della risposta elettrochimica e delle prestazioni del sensore, con particolare riguardo verso ripetibilità, riproducibilità delle misure, tempo di risposta e limite di rivelabilità. Al termine del lavoro si raggiunge l’ottimizzazione di un sensore elettrochimico a due terminali per la quantificazione di ammoniaca gassosa che, grazie alla sua geometria, si presta anche ad applicazioni wearable nel campo dei materiali intelligenti.

Study of materials and interphases for electrochemical energy storage from renewable sources

Batteries should be refined depending on their application for a future in which the sustainable energy demand increases. On the one hand, it is fundamental to improve their safety, prevent failures, increase energy density, and reduce production costs. On the other hand, new battery materials and architecture are required to satisfy the growing demand. This thesis explores different electrochemical energy storage systems and new methodologies to investigate complex and dynamic processes. Lithium-ion batteries are described in all their cell components. In these systems, this thesis investigates negative electrodes. Both the development of new sustainable materials and new in situ electrode characterization methods were explored. One strategy to achieve high-energy systems is employing lithium metal anodes. In this framework, ammonium hexafluorophosphate is demonstrated to be a suitable additive for stabilizing the interphase and preventing uncontrolled dendritic deposition. Deposition/stripping cycles, electrochemical impedance spectroscopy, in situ optical microscopy, and operando confocal Raman spectroscopy have been used to study lithium metal-electrolyte interphase in the presence of the additive. Redox Flow Batteries (RFBs) are proposed as a sustainable alternative for stationary applications. An all-copper aqueous RFB (CuRFB) has been studied in all its aspects. For the electrolyte optimization, spectro-electrochemical tests in diluted solution have been used to get information on the electrolyte’s electrochemical behaviour with different copper complexes distributions. In concentrated solutions, the effects of copper-to-ligand ratios, the concentration, and the counter-ion of the complexing agent were evaluated. Electrode thermal treatment was optimized, finding a compromise between the electrochemical performance and the carbon footprint. On the membrane side, a new method for permeability studies was designed using scanning electrochemical microscopy (SECM). The Cu(II) permeability of several membranes was tested, obtaining direct visualization of Cu(II) concentration in space. Also, two spectrophotometric approaches were designed for SoC monitoring systems for negative and positive half-cells.