Preparazione mediante elettrofilatura di membrane catalitiche per l'ossidazione dell'HMF

L’aumento della domanda di energia ha portato a un elevato sfruttamento delle fonti fossili. Per questo motivo si sono cercate risorse di tipo rinnovabili per produrre energia e prodotti chimici. Le biomasse rispettano tali requisiti. Tra gli aspetti più importanti nell’utilizzo di biomasse c’è la possibilità di produrre prodotti chimici, in altre parole molecole piattaforma dalla quale ottenere prodotti con elevato valore aggiunto. Il 5-idrossimetilfurfurale (HMF) presenta dei gruppi funzionali che permettono di ottenere molecole interessanti come l’FDCA, il quale grazie alla struttura simile all’acido terfatlico può essere utilizzato per l’ottenimento di un bio-polimero (PEF). La reazione di ossidazione selettiva tra i vari sistemi catalitici testati, i catalizzatori a base di metalli nobili quali Au e Pd, presentano elevata attività e selettività, ma scarsa produttività ottenibile nei sistemi discontinui rendendo difficile l’applicazione industriale. La messa a punto di membrane ibride polimero-inorganiche per scopi catalitici vengono prodotte inserendo una fase attiva inorganica all’interno della matrice polimerica; una telle tecniche di produzione è l’elettrofilatura. La tecninca consiste nell’applicazione di un campo elettrico che permette di ottenere delle fibre con diametro ub-micrometrico. In questo lavoro si sono preparate delle membrane polimeriche catalitiche mediante elettrofilatura con matrice polimerica a base di polivinil alcol e acidopoliacrilico e un polimero commerciale della DuPont (Hytrel® G4777), contenenti come fase attiva Au e Pd. Queste membrane poi sono state testate per l’ossidazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale (5-HMF) ad acido 2,5 furan-dicarbossilico (FDCA), prima in ossigeno con un reattore batch e successivamente utilizzando acqua ossigenata in un reattore semicontinuo.

Studio preliminare della reazione di racemizzazione fotochimica di alchilidenossindoli

Argomento di questa tesi è lo studio della reazione di racemizzazione fotochimica di alcuni alchilidenossindoli. Si è tentato di sfruttare l’interazione tra i substrati studiati e la luce in campo sintetico come ad esempio la risoluzione cinetica dinamica. Si è trovata l’evidenza sperimentale che i substrati studiati racemizzano se esposti a radiazione UV-Vis. I risultati ottenuti dai test effettuati per capire il meccanismo che porta alla racemizzazone hanno evidenziato che l’intermedio di reazione non è un enolo.

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.

Fracture toughness characterization of aluminium-epoxy adhesive joints reinforced with electrospun Nylon 6,6 nanofibers

The use of adhesives to join two different substrates is an efficient replacement to classic joining technologies such as welding and soldering. One the one hand adhesion has different advantages over those techniques such as an improved stress distribution and the potential weight reduction of the structure; on the other hand, two of the most important drawbacks are a relatively low fracture toughness and the need of an accurate surface preparation. These two aspects will be accurately analysed in the present work: the use of Nylon nanofibers as reinforcement for the adhesive should increase fracture toughness, while a surface preparation method consisting of mechanical and chemical treatments will be developed. After the specimens are produced, they will be tested in mode I fracture using a DCB (Double Beam Cantilever) test, which allows to measure the fracture toughness during crack propagation. At the end of the test, the surfaces of the adherends will be visually observed and SEM (Scanning Electronic Microscope) analysed in order to evaluate if adhesive or cohesive fracture occurred, and thus if surface treatments has been well developed to allow a better adhesive-aluminium joining.

Preparazione e caratterizzazione di micelle costituite da un pro-farmaco di Paclitaxel e caricate con un agente fotosensibile per il trattamento chemio- e foto-terapico dei tumori

Il Paclitaxel (PTX) è un potente agente chemioterapico approvato per il trattamento di numerosi tumori solidi. Tuttavia, la scarsa solubilità in acqua e l’elevata tossicità causano gravi effetti collaterali che pregiudicano severamente la qualità di vita dei pazienti, già compromessa dalla patologia. Il presente lavoro di tesi ha riguardato la preparazione mediante nano-precipitazione di micelle di un pro-farmaco del PTX (PTX2S), caricate con feoforbide a (PheoA), una molecola fotosensibile che illuminata ad una specifica lunghezza d’onda genera specie reattive all’ossigeno (ROS) e ossigeno di singoletto (1O2) capaci di uccidere le cellule tumorali. Le nanomicelle sono state caratterizzate in termini di stabilità in condizioni fisiologiche, capacità di loading e di rilascio del farmaco e sviluppo di ROS a seguito di irraggiamento con luce bianca. Inoltre, test preliminari in vitro eseguiti su cellule staminali mesenchimali umane (MSC) hanno dimostrato che le nanomicelle sono efficacemente internalizzate dalle cellule senza comprometterne la vitalità e la morfologia. Tali dati preliminari dimostrano che le MSC possono essere quindi utilizzate come vettori selettivi delle nanomicelle qui descritte.

Valutazione dell’adenina come indurente da fonte rinnovabile per resine epossidiche commerciali e per la produzione di materiali compositi

Le resine più utilizzate industrialmente per la produzione di materiali compositi sono quelle epossidiche a base di diglicidil etere del bisfenolo A. Tipicamente, a livello industriale vengono utilizzate diammine sintetizzate da precursori tossici per l’ambiente e per l’uomo. Prendendo atto dell’intrinseca pericolosità di questi sistemi, sono state valutate delle alternative per rendere il processo di produzione dei materiali compositi più sostenibile e sensibile verso l’ambiente e la salute degli operatori. Questo progetto di tesi di laurea sperimentale è il proseguimento di un lavoro precedentemente svolto dal gruppo di ricerca che ha individuato l’adenina come un’alternativa non tossica e bio-based agli attuali agenti reticolanti. Nel presente lavoro di tesi, sono stati effettuati studi di formulazione e reticolazione dell’adenina con resine epossidiche commerciali da infusione e da impregnazione già utilizzate a livello industriale. L’obbiettivò è stato quello di ottenere formulati di resina e adenina capaci di dare un prodotto completamente reticolato, utilizzabile commercialmente e con elevati valori di Tg. Le formulazioni più promettenti così ottenute per ogni tipo di resina sono state utilizzate insieme a fibre di carbonio (vergini e riciclate), fibre di lino e di juta per la produzione di materiali compositi a fibra corta. Le formulazioni di resina e i compositi ottenuti sono stati caratterizzati mediante Analisi Termogravimetrica (TGA), Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) e Analisi Dinamico Meccanica (DMA).

Sintesi di oligotiofeni “push-pull” per applicazioni in celle solari di tipo bulkheterojunction (BHJ)

Sintesi e caratterizzazione di cinque eptameri "push-pull" a base tiofenica con sequenza D-A-D-A-D-A-D e D-D-D-A-D-D-D per applicazioni in celle solari di tipo bulkheterojunction (BHJ).

Elettroriduzione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale: studio dei parametri di reazione

I processi di riduzione del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) sono generalmente condotti mediante processi che utilizzano calore e alte pressioni di H2. Una via alternativa prevede l’applicazione di processi elettrochimici, i quali richiedono condizioni più blande e non necessitano di H2. Il lavoro di tesi qui presentato si concentra sullo studio della elettoriduzione del 5-idrossimetilfurfurale a 2,5-bis(idrossimetil)furano, tramite l’utilizzo di catalizzatori basati su schiume 3D a cella aperta di Cu, sopra le quali viene depositato Ag tramite elettrodeposizione. La caratterizzazione elettrochimica è stata condotta tramite voltammetrie a scansione lineare fatte in tampone borato 0,5M e in HMF, seguite da cronoamperometrie (CA) e cronopotenziometrie (CP); inoltre sono stati valutati l’effetto dei parametri di reazione, quali concentrazione iniziale di reagente, potenziale applicato e densità di corrente applicata sulla conversione, selettività ed efficienza faradica. Le prove effettuate a due diverse concentrazioni di HMF (0,02M e 0,05M), con potenziale di -1,3V vs SCE, mostrano che all’aumentare della concentrazione di reagente si ha un calo della selettività in BHMF. Mantenendo la concentrazione a 0,05M e variando il potenziale applicato, si è osservato un aumento importante della selettività in BHMF a potenziali meno catodici e un calo della conversione a potenziali più catodici; la prova a -1,25V vs SCE fornisce i migliori risultati, tuttavia il tempo di reazione a questo potenziale è molto elevato, portando ad un netto calo della produttività. All’aumentare della densità di corrente si osserva un aumento della selettività in BHMF e una riduzione della conversione, mentre la FE è stabile.

Micelle polimeriche stabilizzate con polidopamina e loro interazione con acido folico

In questo lavoro di tesi è stato sintetizzato un copolimero a blocchi con proprietà anfifiliche per un loro utilizzo nel campo del drug delivery. Si è partiti dalla sintesi di poli (glicidil metacrilato) mediante tecnica RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer), con il fine di ottenere un polimero con una distribuzione del peso molecolare ben definita. Il trattamento del polimero con un opportuno nucleofilo fornisce un materiale con caratteristiche differenti da quelle di partenza, con l’ottenimento di un polimero solubile in acqua in grado di autoassemblarsi, con formazione di micelle. Quest’ultime sono state sottoposte a trattamenti per aumentarne la stabilità fisica mediante reticolazione di polidopamina sulla superficie esterna della micella. Inoltre, nell'ottica di migliorare l’inglobamento delle micelle all'interno di cellule target, si è deciso di effettuare una funzionalizzazione del guscio esterno con acido folico. Infine, le micelle sono state marcate con un cromoforo fluorescente che ha permesso di poter verificare e comparare l’inglobamento delle micelle all'interno delle cellule attraverso microscopia confocale.

Funzionalizzazione e caratterizzazione di pigmenti organici per applicazioni in transistor a effetto di campo

Questo lavoro di tesi ha avuto come scopo la preparazione di film dei semiconduttori organici Indaco e Chinacridone con metodi da soluzione, che sono i preferiti per la fabbricazione di dispositivi. Per la caratterizzazione dei film si è utilizzata la microscopia Raman nell’intervallo dei numeri d’onda delle vibrazioni reticolari, per identificare la natura della fase cristallina presente. Indaco e Chinacridone sono pigmenti fortemente insolubili in tutti i solventi organici, a causa della presenza dei forti legami a ponte di idrogeno intermolecolari che ne influenzano notevolmente le proprietà di stato solido. Questo rende difficile l’ottenimento di film omogenei per deposizione diretta di loro soluzioni. Per ovviare al problema, si è utilizzata una strategia di letteratura, che passa attraverso la preparazione di loro derivati solubili, con una reazione di protezione dei gruppi amminici presenti sulle molecole con gruppi termolabili (tBoc). Una volta depositato su substrato, il pigmento originale può essere rigenerato per riscaldamento del film. L’analisi Raman ha permesso di caratterizzare strutturalmente per la prima volta i film preparati con questa procedura. In particolare si è verificato che sui film di Indaco è sempre presente il polimorfo B, in accordo con quanto trovato nei film preparati con metodi di deposizione da vapore. Per quanto riguarda il Chinacridone invece dell’attesa β, la fase ottenuta è la metastabile α’, ottenibile in fase bulk solo in condizioni drastiche. In entrambi in casi si conferma la selettività del substrato verso un polimorfo specifico.

Studio dell’adenina come indurente per resine epossidiche e produzione di materiali compositi da fonti rinnovabili

A causa di una maggiore preoccupazione ambientale, la ricerca si sta muovendo verso lo sviluppo di nuovi prodotti bio-based. Il progetto è stato incentrato sulla possibilità di produrre materiali compositi utilizzando un sistema resina-indurente interamente ottenuto da fonti rinnovabili con fibre naturali totalmente green e sintetiche. In particolare, è stata studiata la possibilità di utilizzare l’adenina, una molecola atossica e derivante da fonte rinnovabile, per la produzione di compositi con fibre di lino, juta, carbonio vergine e riciclato con resina epossidica da fonte bio. In particolare è stato ottimizzato il ciclo di cura e sono state caratterizzate le proprietà termiche e meccaniche dei materiali prodotti mediante analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry), DMA (Dynamic Mechanical Analysis) e TGA (Termo-Gravimetric-Analysis). Per comprendere meglio la reticolazione delle resine epossidiche, si è studiato il meccanismo di reazione tra l’adenina e un precursore epossidico attraverso spettroscopia 1H-NMR (Nuclear Magnetic Resonance).

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.

Valorizzazione di acque reflue mediante recupero di fosfati per adsorbimento

Visto l’attuale fabbisogno di fosforo, è fondamentale, in un’ottica di sostenibilità ambientale, mettere a punto un trattamento che consenta di ottenere un efficiente recupero del fosforo. Il seguente lavoro di tesi si pone come obbiettivo quello di caratterizzare la prestazione di un adsorbente utilizzato in un impianto pilota presso l’università di Cranfield per il recupero del fosforo da acque reflue municipali dopo 2 anni di utilizzo, corrispondenti a 66 cicli di adsorbimento/desorbimento. In particolare sono state confrontate le prestazioni ottenibili dalla resina usata rigenerata con la procedura standard (mediante NaOH 2%) e con una procedura di ricondizionamento mediante un trattamento più forte (mediante NaOH 2% + NaCl 5%) con quelle della resina vergine. Le due tipologie di soluzione rigenerante serviranno a valutare il contributo all’adsorbimento totale delle nanoparticelle di HFO e dei gruppi funzionali presenti sulla resina. I test sono stati condotti sia in soluzioni sintetiche di fosfato (acqua demineralizzata a cui viene aggiunto un determinato quantitativo di sali di fosfato), sia in soluzioni reali (wastewaters, fornite dalla multiutility HERA). Lo studio è stato condotto mediante isoterme di adsorbimento e test in continuo (curve di breakthrough). I risultati ottenuti confermano che la resina, dopo due anni, mantiene ottime prestazioni, molto simili alla vergine. Il materiale ha mostrato una ottima resistenza meccanica, durabilità e facilità di rigenerazione, dimostrandosi un eccellente adsorbente per gli ortofosfati anche alle basse concentrazioni tipiche degli effluenti secondari di scarto. I test in continuo hanno inoltre mostrato come, alle tipiche concentrazioni delle acque reflue, la rigenerazione dei gruppi funzionali della resina mediante sodio cloruro non porti ad un significativo miglioramento delle proprietà adsorbenti. Dai dati ottenuti si può affermare con certezza che il ciclo vitale della resina risulta essere ben oltre i 2 anni.

Studio di catalizzatori a base di Ni modificati con La per la metanazione della CO2

Le emissioni di CO2 in atmosfera da fonti antropogeniche sono attualmente la principale causa del surriscaldamento globale. Tecnologie sostenibili note come Power-to-gas, consentono di valorizzare la CO2, per la produzione di metano, mediante reazione con H2 proveniente dall’elettrolisi dell’acqua, utilizzando energia prodotta da fonti rinnovabili. Il metano, essendo un vettore energetico molto importante, se possiede requisiti di purezza adeguati, può essere introdotto direttamente nella rete del gas. In questo lavoro di tesi sono state investigate le prestazioni catalitiche, nella reazione di metanazione della CO2, di catalizzatori derivati da composti tipo idrotalcite a base di Ni, modificati con La, e con l’aggiunta di Mg e Zn. I catalizzatori sono stati sintetizzati per coprecipitazione a pH costante, calcinati e ridotti prima di condurre le prove catalitiche. Sono stati inoltre caratterizzati mediante tecniche XRD, H2-TPR, analisi porosimetrica e spettroscopia micro-Raman, sia da calcinati che da spenti. I risultati ottenuti dalle prove catalitiche hanno dimostrato che la presenza del La in un catalizzatore Ni/Al aumenta notevolmente l’attività in termini di conversione di CO2 e selettività in CH4, soprattutto a temperature tra 250 e 300°C. L’aggiunta dello Zn nella struttura ad ossidi misti invece ne inibisce l’attività catalitica, portando ad una diminuzione drastica della conversione e selettività. La presenza del Mg promuove una migliore attività catalitica, rispetto ai catalizzatori con solo La, ma necessita di una temperatura di riduzione più elevata.

3D electrocatalysts for the selective glucose oxidation

Nowadays, one of the most important scientific and environmental concern is to reduce global dependence on fossil fuels. The use of lignocellulosic biomass makes it possible to produce important platform molecules such as D-glucose, which is used to synthesize high value-added chemical products such as gluconic acid (GO) and glucaric acid (GA). Moreover, the electrocatalytic oxidation of glucose shows advantages compared to the classical synthesis route, such as the use of non-toxic reactants and milder conditions, making the process greener and more sustainable. In this work, electrocatalysts based on open-cell Ni metal foams were investigated for the glucose electrooxidation. They were used as supplied, oxidized at 500°C and 600°C, and after electrodeposition of Ni(OH)2. The electrocatalysts were characterized by cyclic voltammetry in NaOH solution 0.1M and in a basic D-glucose solution with different glucose concentrations (10mM and 50mM). The effect of the potential applied, the glucose concentration and the reaction time on conversion, selectivity and faradic efficiency were also investigated. 3D Ni electrocatalyst showed promising activity in the conversion of glucose towards gluconic acid, the sample calcined at 500°C showing the best results.