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.

Studio dell’effetto di stabilizzanti polimerici su catalizzatori di oro nanostrutturati

Negli ultimi anni ha riscosso particolare interesse l’utilizzo di nanoparticelle metalliche nella catalisi per via delle loro eccellenti proprietà. Le limitazioni al loro utilizzo sono connesse alla complessità della loro sintesi a causa dei molteplici parametri che possono influenzare le proprietà e la morfologia del sistema finale. Recenti studi hanno permesso di individuare la possibilità che polimeri con opportune caratteristiche possano influenzare sia la morfologia che l’attività catalitica dei catalizzatori nanostruturati. Queste ricerche hanno aperto alla possibilità di controllare le proprietà delle nanoparticelle attraverso la sintesi di macromolecole con specifiche caratteristiche. Nel corso dell’attività di tirocinio si è studiato come il peso molecolare e la natura dello stabilizzante polimerico influenzino le dimensioni e l’attività delle nanoparticelle d’oro in termini di conversione ed accessibilità dei siti attivi del catalizzatore attraverso la reazione di riduzione del 4-nitrofenolo. Si sono confrontati risultati ottenuti da nanoparticelle sintetizzate utilizzando come stabilizzante campioni a differente peso molecolare di poli-etilenglilcole, poli-vinilammina e poli-vinilalcol.

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).

Sviluppo di materiali compositi a base di Aquivion® PFSA per la valorizzazione catalitica del furfuril alcol

L'elaborato di tesi si è posto l'obiettivo di studiare la sintesi e l'attività catalitica di diversi materiali compositi a base di Aquivion, resina pefluorosolfonica dalle caratteristiche superacide, e vari ossidi su una reazione di valorizzazione catalitica del furfuril alcol. I test catalitici sono stati inizialmente svolti allo scopo di determinare l'influenza delle caratteristiche del catalizzatore e delle condizioni operative. La comparazione dei risultati ottenuti ha successivamente permesso di trarre ulteriori informazioni interessanti sul meccanismo di reazione. In particolare, le proprietà superficiali degli ossidi indagati hanno giocato un ruolo determinante per la generazione di acqua a partire dal solvente alcolico, acqua che è risultata fondamentale per alcuni step della reazione.

Computational study on the asymmetric aminocatalysed Michael addition reaction of cyclohexanone to trans–β–nitrostyrene

Asymmetric organocatalysed reactions are one of the most fascinating synthetic strategies which one can adopt in order to induct a desired chirality into a reaction product. From all the possible practical applications of small organic molecules in catalytic reaction, amine–based catalysis has attracted a lot of attention during the past two decades. The high interest in asymmetric aminocatalytic pathways is to account to the huge variety of carbonyl compounds that can be functionalized by many different reactions of their corresponding chiral–enamine or –iminium ion as activated nucleophile and electrophile, respectively. Starting from the employment of L–Proline, many useful substrates have been proposed in order to further enhance the catalytic performances of these reaction in terms of enantiomeric excess values, yield, conversion of the substrate and turnover number. In particular, in the last decade the use of chiral and quasi–enantiomeric primary amine species has got a lot of attention in the field. Contemporaneously, many studies have been carried out in order to highlight the mechanism through which these kinds of substrates induct chirality into the desired products. In this scenario, computational chemistry has played a crucial role due to the possibility of simulating and studying any kind of reaction and the transition state structures involved. In the present work the transition state geometries of primary amine–catalysed Michael addition reaction of cyclohexanone to trans–β–nitrostyrene with different organic acid cocatalysts has been studied through different computational techniques such as density functional theory based quantum mechanics calculation and force–field directed molecular simulations.

Membrane elettrofilate di cheratina e poli(butilene succinato): effetti della composizione della miscela sulle proprietà chimico-fisiche delle membrane e sulla cinetica di rilascio di farmaci

In ambito biomedicale una delle applicazioni che ad oggi sta riscuotendo un interesse crescente è lo studio di dispositivi performanti per il rilascio controllato di farmaci. La realizzazione di materiali nanofibrosi a base di polimeri di origine naturale e sintetica costituisce una strada molto interessate. In particolare, la cheratina, che può essere ricavata da un’ampia quantità di sottoprodotti delle industrie zootecniche e tessili, presenta ottima biocompatibilità e caratteristiche che le consentono di svolgere il ruolo di carrier per molteplici tipologie di sostanze. La fragilità e la difficile processabilità della cheratina possono essere migliorate mediante miscelazione con polimeri di origine sintetica, come il poli(butilene succinato) (PBS), un poliestere alifatico biodegradabile e biocompatibile, caratterizzato da un buona stabilità termica e da ampia lavorabilità. Nel presente lavoro di Tesi sono state realizzate miscele e membrane elettrofilate a base di PBS e cheratina a diversa composizione, ed è stato valutato l'effetto della composizione sulle proprietà chimico-fisiche delle membrane elettrofilate e sulla cinetica di rilascio di farmaci. Per prima cosa è stata analizzata la stabilità della cheratina nel solvente; sono state quindi svolte analisi sul comportamento reologico delle miscele in tre rapporti di peso ed i tappetini elettrofilati sono stati caratterizzati da un punto di vista morfologico (SEM), termico (TGA e DSC) e meccanico (prove di trazione e di adesione). Le prove di rilascio sono state effettuate impiegando rodamina, una molecola modello, e le membrane sono state analizzate prima e dopo il rilascio tramite FTIR, per valutare eventuali variazioni compositive. Dai risultati ottenuti, emerge che è stato possibile modulare sia le proprietà delle membrane sia i profili di rilascio, agendo semplicemente sulla composizione delle miscele, ad indicare un’ampia versatilità per applicazioni in ambito di rilascio controllato di farmaco.

Catalytic reduction of organic pollutants using supported metal nanoparticles

Metal nanoparticle catalysts have in the last decades been extensively researched for their enhanced performance compared to their bulk counterpart. Properties of nanoparticles can be controlled by modifying their size and shape as well as adding a support and stabilizing agent. In this study, preformed colloidal gold nanoparticles supported on activated carbon were tested on the reduction of 4-nitrophenol by NaBH4, a model reaction for evaluating catalytic activity of metal nanoparticles and one with high significance in the remediation of industrial wastewaters. Methods of wastewater remediation are reviewed, with case studies from literature on two major reactions, ozonation and reduction, displaying the synergistic effects observed with bimetallic and trimetallic catalysts, as well as the effects of differences in metal and support. Several methods of preparation of nanoparticles are discussed, in particular, the sol immobilization technique, which was used to prepare the supported nanoparticles in this study. Different characterization techniques used in this study to evaluate the materials and spectroscopic techniques to analyze catalytic activities of the catalyst are reviewed: ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, dynamic light scattering (DLS) analysis, X-ray diffraction (XRD) analysis and transmission electron microscopy (TEM) imaging. Optimization of catalytic parameters was carried out through modifications in the reaction setup. The effects of the molar ratio of reactants, stirring, type and amount of stabilizing agent are explored. Another important factor of an effective catalyst is its reusability and long-term stability, which was examined with suggestions for further studies. Lastly, a biochar support was newly tested for its potential as a replacement for activated carbon.

Deidrogenazione ossidativa del n-butano catalizzata da ossidi metallici difettivi

The oxidative dehydrogenation (ODH) of n-butane is a promising way to synthetize butenes and 1,3-butadiene, currently produced by steam cracking or direct dehydrogenation of n-butane. The addition of oxygen as a reagent leads to the formation of water, a very stable by-product, which makes the process exothermic.In this work, the ODH of n- butane was investigate to selectively obtain butenes and 1,3-butadiene. Four catalysts based on metal oxides (V2O5, La2O3, CeO2 and TiO2) were mixed with Mg metallic powder and reduced at 650 °C for 5 h in 5% H2/Ar atmosphere, with the purpose of creating oxygen vacancies in the crystal lattice of the oxides. Subsequently, the effect of the Mg concentration, and thus the oxygen vacancies concentration, was studied. The titanium oxide-based catalysts were the most active, in terms of butane conversion and selectivity to butenes and 1,3 butadiene. Overall, this study shows that the formation of oxygen vacancies on metal oxides can be influenced by the addition of metallic Mg during the synthesis. In the case of TiO2, this leads to an increase on the activity compared to the untreated sample.

Synthesis and characterisation of electrospun gold on ceria catalysts

Cerium oxide in catalysis can be used both as support and as a catalyst itself. Ceria catalyses many oxidations reactions, its excellent catalytic properties are due to its store oxygen storage capacity (OSC) and the reticular defects present on its surface. Different morphologies expose different reticular planes, and different reticular planes can expose different amounts of defects. The preparation method of cerium oxide can influence the surface area, morphology, and the number of defects in the sample. This work is focused on different preparation methods for gold nanoparticles supported on 1D nanostructures of cerium oxide prepared via electrospinning, their XRD, DRUV-Vis and Raman characterizations, and their catalytic performance on the oxidation reaction of HMF to FDCA.

Evaluation of most promising options for the C1 to C2-coupling: alternative formate coupling

This thesis work contains an overview of potential alternative options to couple formate produced from CO2 with other coupling partners than formate itself. Ultimately, the intent is to produce high value chemicals from CO2 at a high selectivity and conversion, whilst keeping the required utility of electrons in the electrochemical CO2 conversion at a minimum. To select and find new coupling partners, a framework was developed upon which a broad variety of candidates were assessed and ranked. A multi-stage process was used to select first potential classes of molecules. For each class, a variety of commercially available compounds was analysed in depth for its potential suitability in the reaction with the active carbonite intermediate. This analysis has shown that a wide variety of factors come into play and especially the reactivity of the hydride catalyst poses a mayor challenge. The three major potential classes of compounds suitable for the coupling are carbon oxides (CO2 & CO), and aldehydes. As a second step the remaining options were ranked to identify which compound to test first. In this ranking the reactants sustainability, ease of commercial operation and commercial attractiveness of the compound were considered. The highest-ranking compounds that proposed the highest potential are CO2, benzaldehyde and para-formaldehyde. In proof-of-principle experiments CO2 could successfully be incorporated in the form of carbonate, oxalate and potentially formate. The overall incorporation efficiency based on the hydride consumption was shown to be 50%. It is suggested to continue this work with mechanistic studies to understand the reaction in detail as, based on further gained knowledge, the reaction can then be optimized towards optimal CO2 incorporation in the form of oxalate.

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.

Caratterizzazione di terpolimeri EP(D)M nell'ottica dell'Easy Processing

Lo scopo di questa tesi è la caratterizzazione di prodotti EPDM CLCB a confronto con i corrispondenti polimeri lineari di riferimento tramite tecnica GPC al fine di valutarne le differenze strutturali e determinare, tramite test di processabilità e fisico-meccanici, l’effetto che la diversa struttura provoca sul comportamento finale delle mescole, dove per mescole si intende l’insieme del polimero e di tutti gli additivi necessari che vengono miscelati formando il materiale finale.

Studio di compositi per stampa 3D a matrice termoplastica rinforzati con fibre di carbonio riciclate

In questo lavoro di tirocinio si sono caratterizzati compositi a matrice termoplastica rinforzati con fibre di carbonio. Le fibre di carbonio impiegate per le differenti formulazioni sono fibre vergini e fibre ottenute tramite un processo di piro-gassificazione di compositi di scarto, quindi riciclate. Questo progetto di ricerca ha come obiettivo quello di validare l’utilizzo delle fibre di carbonio riciclate, per l’ottenimento di compositi per stampa 3D, andando a confrontare le proprietà dei compositi con fibre vergini. Come matrici termoplastiche si è scelto di utilizzare l’acido polilattico (PLA) che è uno dei materiali più comunemente impiegati per la stampa 3D, e polipropilene (PP) che essendo facilmente riciclabile potrebbe portare alla formulazione di un materiale composito interamente da riciclo. Le proprietà termiche sono state determinate mediante analisi DSC e TGA ed è stato determinato il CTE dei materiali. Le proprietà meccaniche sono state analizzate attraverso DMA e prove di trazione.

Theoretical and experimental investigations on homologation of ethanol to butanol using a ruthenium-based catalyst

The mechanism of homologation of bioethanol to butanol and higher alcohols via the Guerbet reaction was computationally and experimentally investigated. The catalytic pathway involves a ruthenium-based complex and a base co-catalyst which work simultaneously. Due to selectivity issues, secondary products were formed and high competition between main pathway and side reactions was recorded. Herein, the overall catalytic mechanism for all the processes involved in was investigated, also considering the principal side reactions, using density functional theory (DFT) methods and experiments to confirm theoretical outcomes. Due to the complexity of the reaction network, kinetic simulations were established from DFT results, confirming experimental products distribution and giving insights into the factors governing the reaction mechanism.

Ottimizzazione della crotilborazione asimmetrica di dialchil-azodicarbossilati

A differenza di allil- e crotilborazioni realizzate su aldeidi e chetoni, la crotilborazione di azodicarbossilati rappresenta un terreno ancora inesplorato in sintesi asimmetrica. Per sviluppare un processo catalitico ed enantioselettivo è stato pertanto necessario valutare singolarmente l’effetto di ciascuno dei fattori in grado di influenzare l’andamento della reazione, ovvero: catalizzatore, quantità relative di reagenti, temperatura, alcoli ausiliari, additivi, solventi e composizione della miscela di reazione. Dopo aver ottimizzato le condizioni operative affinché si raggiungesse la massima enantioselettività possibile, è stato effettuato uno studio del meccanismo di reazione tramite spettroscopia 1H NMR. L’indagine ha permesso di individuare le specie cataliticamente attive ed avere maggiori informazioni sulla cinetica della crotilborazione. Rispetto alla fase iniziale di sviluppo della reazione, l’ottimizzazione delle condizioni operative ha consentito di aumentare notevolmente sia la resa che l’eccesso enantiomerico. Le informazioni ricavate nel corso del progetto hanno inoltre portato a una maggiore comprensione del processo catalitico, che potrà essere sfruttata per incrementare ulteriormente l’efficienza e la selettività della reazione di crotilborazione in esame.