Electrochemical oxidation of Kraft and Dealkaline lignin to produce value-added chemicals on Nickel electrocatalysts

One of the most important scientific and environmental issues is reducing global dependence on fossil sources and one of the solutions is to use biomass as feedstock. In particular, the use of lignocellulosic biomass to obtain molecules with considerable commercial importance is gaining more and more interest. Lignin, the most recalcitrant part of lignocellulosic biomass, is a valuable source of sustainable and renewable aromatic molecules, currently produced from petrochemical processes. Vanillin, one of the most important aromatic aldehydes on an industrial level, can be obtained through catalytic lignin oxidation. An alternative to the conventional catalytic oxidation process is the electro-catalytic process, which can be carried out at ambient temperature and pressure, using water as solvent, and it can be considered as a renewable energy storage. In this thesis, the electrocatalytic oxidation of Kraft and Dealkaline lignin in NaOH was investigated over Ni foam catalysts. The effect of the reaction parameters (i.e. time, applied potential, lignin concentration, NaOH concentration, and temperature) on the yields of vanillin and other valuable products was evaluated. After the screening of the reaction conditions, a systematic study of the contribution of the homogeneous reaction (lignin depolymerization due to the basic solvent) to the yield of the product was accomplished. Finally, considering the obtained results, an alternative reaction procedure was proposed.

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.

Sintesi di dimetiladipato da carbonati organici e ciclopentanone utilizzando catalizzatori eterogenei a base di zinco

Lo scopo di questo progetto è studiare e sviluppare una sintesi alternativa del dimetiladipato (DMA), a partire da ciclopentanone (CPO) e dimetilcarbonato (DMC), con l’utilizzo di un ossido misto di zinco e magnesio come catalizzatore eterogeneo. Le prove sono state svolte in fase liquida con un reattore operante in condizioni discontinue (batch). In particolare, si è investigato l’effetto di diversi parametri operativi sulla reazione quali il tempo, il rapporto molare di alimentazione dei due reagenti, il carico catalitico utilizzato, il rapporto atomico Zn/Mg nel catalizzatore e la temperatura. Una volta individuate le migliori condizioni, si è valutata la possibilità di svolgere la reazione in due step, per cercare di incrementare la resa di DMA. Inizialmente, si è studiato solo il secondo step, cioè la reazione fra l’intermedio (carbossimetilciclopentan-2-one) e il metanolo e si sono ottenute rese di DMA del 92% con un rapporto MeOH:Intermedio di 150:1. Dopo aver ricavato le migliori condizioni di tale reazione, si è svolta la reazione completa a due step e si è dimostrato che è possibile condurre il secondo step a temperature più basse rispetto al primo, per convertire l’intermedio rimasto a DMA e migliorarne la resa dal 32% al 40%.

Caratterizzazione meccanica ad alta temperatura dell'acciaio inossidabile AISI 316L prodotto con processo additivo

Analisi meccanica e microstrutturale a temperatura ambiente e alta temperatura (400 °C) dell'acciaio inossidabile AISI 316L prodotto tramite additive manufacturing (Laser Powder Bed Fusion) e rivestito con un sistema multistrato composto da nichelatura al fosforo e diamond like carbon. Il materiale è stato testato meccanicamente tramite prove di trazione, fatica a basso numero di cicli e durezza. Queste hanno dimostrato come il rivestimento non modifica significativamente le proprietà a trazione del materiale (sia a 20°C che a 400 °C) mentre allunga notevolmente la vita a fatica del provino a temperatura ambiente. Le analisi di durezza hanno evidenziato il diverso comportamento del rivestimento a temperatura ambiente e a 400 °C in quanto, alla temperatura di 300 °C, subisce una ricristallizzazione che ne determina un indurimento. L'analisi microstrutturale ha previsto l'osservazione del materiale al microscopio ottico ed elettronico a scansione FEG-SEM, la quale ha permesso di identificare i melt pool, grani colonnari e struttura cellulare che compongono il materiale. La struttura cellulare scompare a 400 °C mentre i melt pool ed i grani colonnari restano invariati. Oltre a queste analisi sono state svolte anche delle osservazioni per quanto riguarda le superfici di frattura del materiale le quali hanno mostrato una tipologia di frattura duttile nei provini di trazione mentre i campioni a fatica presentano una tipica frattura a fatica, ovvero che comprende un innesco, una zona di propagazione della cricca ed una zona di rottura di schianto. I campioni rivestiti presentavano l'innesco nella zona interfacciale tra substrato e rivestimento a causa delle tensioni residue, nonostante l'adesione del rivestimento con l'acciaio fosse ottimale.

Sintesi e caratterizzazioni termiche e meccaniche di nanocompositi a base di resina epossidica e nanoplacchette di grafene

In questo lavoro sono stati realizzati e caratterizzati materiali nanocompositi utilizzando come matrice un polimero reticolato e come riempitivo nanocarbonio. Il riempitivo utilizzato è stato sintetizzato e caratterizzato morfologicamente in laboratorio. Nella prima parte della tesi si è studiato e ottimizzato il processo di dispersione del riempitivo nella matrice tramite un miscelatore planetario e un nanomiscelatore. Successivamente si è proceduti a realizzare un set di nanocompositi a differente percentuale (peso/peso) di riempitivo i quali sono stati caratterizzati morfologicamente. Dopo di che si è proceduti con l’ottimizzazione del processo di reticolazione dei nanocompositi i quali sono stati successivamente caratterizzati tramite prove termiche, meccaniche e morfologiche al fine di osservare le modifiche apportate dal riempitivo alla matrice polimerica.

Theoretical and experimental study on the role of benzoquinone in the Guerbet reaction catalyzed by a ruthenium complex

The benzoquinone was found as an effective co-catalyst in the ruthenium/NaOEt-catalyzed Guerbet reaction. The co-catalyst behavior has therefore been investigated through experimental and computational methods. The reaction products distribution shows that the reaction speed is improved by the benzoquinone supplement since the beginning of the process, having a minimal effect on the selectivity toward alcoholic species. DFT calculations were performed to investigate two hypotheses for the kinetic effects: i) a hydrogen storage mechanism or ii) a basic co-catalysis of 4-hydroxiphenolate. The most promising results were found for the latter hypothesis, where a new mixed mechanism for the aldol condensation step of the Guerbet process involves the hydroquinone (i.e. the reduced form of benzoquinone) as proton source instead of ethanol. This mechanism was found to be energetically more favorable than an aldol condensation in absence of additive, suggesting that the hydroquinone derived from benzoquinone could be the key species affecting the kinetics of the overall process. To verify this theoretical hypothesis, new phenol derivatives were tested as additives in the Guerbet reaction. The outcomes confirmed that an aromatic acid (stronger than ethanol) could improve the reaction kinetics. Lastly, theoretical products distributions were simulated and compared to the experimental one, using the DFT computations to build the kinetic models.

Synthesis and coating of silver nanoparticles and their interaction with cells model

La mia tesi si concentra sulla sintesi e funzionalizzazione di nanoparticelle d’argento studiandone l’interazione, tramite esperimenti in vitro, con cellule sane di fibroblasti murini NIH-3T3 e cellule tumorali da nodulo al seno MCF7. L’utilizzo di polielettroliti quali PDADMAC, PAH e PSS ha permesso la modifica delle proprietà superficiali delle nanoparticelle. Le nuove proprietà chimico-fisiche sono state caratterizzate tramite Dynamic Light Scattering, potenziale zeta e spettroscopia UV-vis. L’effetto della ricopertura con polielettroliti è stato valutato tramite test di vitalità cellulare somministrando le nanoparticelle funzionalizzate alle cellule sopracitate. Successivamente, è stata ottimizzata la procedura per un’ulteriore ricopertura sulle nanoparticelle cariche con BSA (Bovine Serum Albumin) valutando diversi fattori chiave. Le nanoparticelle ricoperte di albumina sono state caratterizzate e la composizione qualitativa della loro protein corona è stata ottenuta tramite analisi SDS-PAGE. Infine, le nanoparticelle ricoperte di BSA sono state somministrate alle due linee cellulari valutando l’effetto dell’albumina sulla risposta biologica tramite analisi di vitalità cellulare e immunofluorescenza.

Development and scale-up studies of bio-based poly(ester-amide)s

Plastics are polymers of conventional and extensive use in our day-to-day life. This is due to their light weight, adaptability to different uses and low prices. A downside of such extensive use is the environmental pollution arising from plastic production and disposal. Indeed, many commodity polymers are produced from non-renewable resources while other do not bio-degrade after their end-of-life disposal. Consequently, the ideal polymer comes from renewable raw materials and bio-degrades after its disposal, meaning that it would do little or no harm to the environment from the beginning to the end of its life cycle. In this thesis project a class of bio-based and bio-degradable co-polymers, namely poly(ester-amide)s, was investigated because of their tunable mechanical and bio-degradation properties as well as their renewable origin. Such polymers were synthetized and characterized thermically and mechanically. Furthermore, a scale-up procedure was developed and applied to one polymer and processing trials were made with the material obtained after scale-up.

Sviluppo di un metodo termoanalitico per la quantificazione di microplastiche in matrici complesse

Microplastics (MPs) are highly debated emerging contaminants that are widespread on Earth. Nowadays, assessment of the risk that MPs pose on human health and environment were not developed yet, and standardized analytical methods for their quantification in complex matrices do not exist. Therefore, the formulation of standards which regulating MPs emission in the environment is not possible. The purpose of this study was to develop and apply a method for the analysis of MPs in sewage sludges and water from a wastewater treatment plant (WWTP), due to the relevance of those matrices as important pathway for MPs to enter the environment. Seven polymers were selected, because of their relevance on market production and their frequency of occurrence in such plants: polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), polyvinyl chloride (PVC), and nylon 6 (PA-6). In the study, a pre-treatment procedure was optimised using Fenton’s reagent and analyses carried out by combining thermochemolysis with Py-GC-MS after sample filtration on quartz (0.3 µm). Polymer quantification was performed with solid polymer mixture in silica and good correlations were obtained with internal calibration. As main results, Fenton's reagent negatively affected the recovery of some polymers (PP, PE, PS, PA-6) and a possible matrix interference was noticed, especially for PET and PVC. The WWTP allowed a good abatement of PS, PE, PP and PVC (on average 90 %) and comparable results were hypothesised for the other polymers. Polymer concentrations is sewage sludges ranged between < 2 μg/gdry and 3.5 mg/ gdry, for PC and PVC, respectively. Possible overestimations for PET and PVC, due to matrix interreferences, were taken into account and discussed.

Formulazione e caratterizzazione di idropitture con materie prime “Bio-Based”

The market for paint products with raw materials derived from renewable sources is growing rapidly in the building industry. When high performance in wet scrub resistance is required, “washable” paints are used. However, formulating products with Bio-Based raw materials generally results in a decrease in performances compared to similar products with raw materials from fossil sources. Therefore, a new formulation approach is needed to characterize polymeric binders from renewable sources and to consider the synergistic effects given by blends of polymeric binders of different origin and chemical structure. To date, the development of new formulations that imply less environmental impact is necessary if these products have to remain competitive in the marketplace. During the trainingship in IVAS S.p.A., washable paints with different PVC (Pigment Volume Concentration) were formulated and tested, evaluating whether the performance of paints with polymeric binders obtained from renewable sources was comparable to those with polymeric binders from fossil sources. The binders were chemically characterized by DSC, FT-IR and NMR analysis. Characterization tests of paints were focused on the evaluation of degree of whiteness, hiding power, dirt setting, and wet scrub resistance. Following the results obtained from the available binder combinations, it was possible to formulate two washable paints with comparable performances to those from fossil sources: paint A with 20 % of alkydic polymer and 80 % styrene/acrylic polymer and paint B with 40 % of alkydic polymer and 60 % styrene/acrylic polymer. Finally, the formulation was completed by adding the mainly Bio-Based derived additives generally used for this category of paints.

Direct C–H silylation and borylation of biomass derivatives by iridium heterogeneous catalysts

Furfural and its derivatives represent renewable and readily available platforms for a wide range of chemicals. Much attention has been devoted to their functionalization over the last years. TM-catalysed C–H activation has emerged as a powerful tool for synthesizing new C–C and C–X bonds. Moreover, it provides a sustainable way to obtain molecules by reducing waste and saving steps. At the same time, iridium catalysts have proven to be very active in some C–H functionalizations of several (hetero)arenes. Although very promising, this technique is still poorly applied on an industrial scale due to the severe conditions required. Continuous flow chemistry using heterogeneous catalysts appears to be a valuable way to overcome these problems. In this work, we present different solutions for the immobilization of homogeneous iridium complexes on silica gels, using bidentate amines and phosphines as anchoring ligands. We successfully employed the catalysts in C–H silylation and borylation of furfural, using C2 located directing group. In this way, we finally obtained a suitable catalyst that could be potentially applied in continuous-flow chemistry.

Sintesi assistita al microonde di nanoparticelle Au/Pt per applicazioni catalitiche

Negli ultimi decenni la necessità di salvaguardare l’ambiente ha portato ad un importante sviluppo dei processi catalitici con particolare attenzione agli aspetti di sostenibilità e impatto ambientale. Le nanoparticelle metalliche, note per le ottime proprietà catalitiche, ricoprono un ruolo fondamentale nel settore della catalisi. Al fine di innescare effetti sinergici e ottenere catalizzatori più performanti, la ricerca si sta orientando verso lo studio di nanoparticelle bimetalliche o multicomponente. Questo lavoro di tesi presenta la sintesi di nanoparticelle di Au, Pt e AuPt applicabili in catalisi e preparate mediante un processo a basso impatto ambientale assistito da microonde. Un’estesa caratterizzazione chimicofisica dei prodotti (DLS/ELS, UV-VIS, ICP-OES, XRD; TEM-EDS) ha consentito di ottimizzare le sintesi rispetto a distribuzione granulometrica, stabilità colloidale, resa di reazione e composizione di fase. Per AuPt NPs si sono sviluppate due preparazioni finalizzate all’ottenimento di diverse nanostrutture, core-shell e leghe. Infine, le prestazioni catalitiche dei campioni preparati sono state valutate mediante idrogenazione di 4-nitrofenolo (4-NP) a 4-amminofenolo (4-AP) in presenza di NaBH4, una reazione modello utilizzata per testare l'attività catalitica di nanometalli. Il campione in lega, Au97.5Pt2.5, e il campione core-shell, Au90@Pt10, hanno evidenziato effetti sinergici positivi con una migliore attività catalitica rispetto ai monometalli.

Sviluppo di sensori indossabili per il monitoraggio di essudato di ferite

I sensori indossabili rappresentano una frontiera della ricerca scientifica e, allo stesso tempo, a livello commerciale sono un nuovo mercato emergente. La possibilità di studiare diversi parametri fisiologici con dispositivi versatili e di dimensioni ridotte è importante per raggiungere una comprensione più profonda dei diversi fenomeni che avvengono nel nostro corpo. In maniera simile, la composizione dell’essudato di una ferita è finemente legata all’evoluzione del processo di guarigione, che comporta diversi meccanismi di rigenerazione del tessuto connettivo e dell’epitelio. Grazie ai dispositivi indossabili, si apre la possibilità di monitorare i componenti chiave di questi processi. I wearable devices costituiscono quindi sia uno strumento diagnostico, che uno strumento clinico per l’identificazione e la valutazione di strategie terapeutiche più efficienti. Il mio lavoro di tirocinio si è incentrato sulla fabbricazione, caratterizzazione e sperimentazione delle performance di transistor elettrochimici a base organica (OECT) tessili per la misurazione dei livelli di pH ed acido urico. L’obbiettivo del gruppo di ricerca è quello di realizzare un cerotto intelligente che abbia due diversi elementi sensibili, uno per l’acido urico e l’altro per la concentrazione idrogenionica. Per il raggiungimento di tale scopo, si è sfruttato uno dei semiconduttori organici più utilizzati e studiati nell’ultimo periodo, il PEDOT, ovvero il poli(3,4-etilen-diossi-tiofene), che risulta anche uno dei materiali principalmente impiegati nella ricerca sui sensori tessili.

Studio e ottimizzazione del riciclo di CFRP tramite processo di pirogassificazione

I compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRC) stanno sempre più sostituendo i materiali convenzionali in applicazioni che necessitano di alte prestazioni meccaniche, grazie alla loro leggerezza e alle eccellenti proprietà meccaniche. Dato l'enorme incremento della loro produzione e delle loro applicazioni, uno dei principali problemi risiede nel loro smaltimento, sia a fine vita che degli scarti e sfridi di lavorazione. Inoltre, la produzione di fibre di carbonio (CF) necessita di un elevato fabbisogno energetico (183-286 MJ/kg), pertanto la possibilità di recupero dei compositi in ottica di riutilizzo delle CF sembra essere un'opzione promettente in termini di sostenibilità ed economia circolare. Nell’ottica di identificare una metodologia per recuperare e riciclare questi materiali, il lavoro della presente tesi di laurea sperimentale, svolto in collaborazione con Leonardo SpA, è stato quello di studiare e ottimizzare il processo di pirogassificazione su CRFP aeronautici.

Niobium-based heterogeneous catalysts synthesised in supercritical carbon dioxide for selective olefin epoxidation

In this work, two different protocols for the synthesis of Nb2O5-SiO2 with a sol-gel route in which supercritical carbon dioxide was used as solvent have been developed. The tailored design of the reactor allowed the reactants to come into contact only when supercritical CO2 is present, and the high-throughput experimentation scCO2 unit allowed the screening of synthetic parameters, that led to a Nb2O5 incorporation into the silica matrix of 2.5 wt%. N2-physisorption revealed high surface areas and the presence of meso- and micropores. XRD allowed to demonstrate the amorphous character of these materials. SEM-EDX proved the excellent dispersion of Nb2O5 into the silica matrix. These materials were tested in the epoxidation of cyclooctene with hydrogen peroxide, which is considered an environmentally friendly oxidant. The catalysts were virtually inactive in an organic, polar, aprotic solvent (1,4-dioxane). However, the most active scCO2 Nb2O5-SiO2 catalyst achieved a cyclooctene conversion of 44% with a selectivity of 88% towards the epoxide when tested in ethanol. Catalytic tests on cyclohexene revealed the presence of the epoxide, which is remarkable, considering that this substrate is easily oxidised to the diol. The behaviour in protic and aprotic solvents is compared to that of TS-1.