Synthesis of porous graphene/TiO2 by use of recycled graphite

Graphene-based nanomaterials are a kind of new technological materials with high interest for physicists, chemists and materials scientists. Graphene is a two-dimensional (2-D) sheet of carbon atoms in a hexagonal configuration with atoms bonded by sp2 bonds. These bonds and this electron configuration provides the extraordinary properties of graphene, such as very large surface area, a tunable band gap, high mechanical strength and high elasticity and thermal conductivity [1]. Graphene has also been investigated for preparation of composites with various semiconductors like TiO2, ZnO, CdS aiming at enhanced photocatalytic activity for their use for photochemical reaction as water splitting or CO2 to methanol conversion [2-3]. In this communication, the synthesis of porous graphene@TiO2 obtained from a powder graphite recycled, supplied by ECOPIBA, is presented. This graphite was exfoliated, using a nonionic surfactant (Triton X-100) and sonication. Titanium(IV) isopropoxide was used as TiO2 source. After removing the surfactant with a solution HCl/n-propanol, a porous solid is obtained with a specific area of 358 m2g-1. The solid was characterized by XRD, FTIR, XPS, EDX and TEM. Figure 1 shows the graphene 2D layer bonded with nanoparticles of TiO2. When a water suspension of this material is exposed with UV-vis radiation, water splitting reaction is carried out and H2/O2 bubbles are observed (Figure 2)

Engineering interfacial silicon dioxide for improved metal-insulator-semiconductor silicon photoanode water splitting performance

Silicon photoanodes protected by atomic layer deposited (ALD) TiO2 show promise as components of water splitting devices that may enable the large-scale production of solar fuels and chemicals. Minimizing the resistance of the oxide corrosion protection layer is essential for fabricating efficient devices with good fill factor. Recent literature reports have shown that the interfacial SiO2 layer, interposed between the protective ALD-TiO2 and the Si anode, acts as a tunnel oxide that limits hole conduction from the photoabsorbing substrate to the surface oxygen evolution catalyst. Herein, we report a significant reduction of bilayer resistance, achieved by forming stable, ultrathin (<1.3 nm) SiO2 layers, allowing fabrication of water splitting photoanodes with hole conductances near the maximum achievable with the given catalyst and Si substrate. Three methods for controlling the SiO2 interlayer thickness on the Si(100) surface for ALD-TiO2 protected anodes were employed: (1) TiO2 deposition directly on an HF-etched Si(100) surface, (2) TiO2 deposition after SiO2 atomic layer deposition on an HF-etched Si(100) surface, and (3) oxygen scavenging, post-TiO2 deposition to decompose the SiO2 layer using a Ti overlayer. Each of these methods provides a progressively superior means of reliably thinning the interfacial SiO2 layer, enabling the fabrication of efficient and stable water oxidation silicon anodes.

Consolidação de suportes com pintura mural: síntese e caraterização de materiais nano-estruturados

Está em curso no Laboratório HERCULES / LNEC um estudo relacionado com o desenvolvimento de novos materiais nano-estruturados e inovadores, destinados à conservação do Património Cultural, mais precisamente, para a consolidação de pintura mural. Numa primeira fase, serão sintetizados materiais de consolidação à base de cal, com tamanho e morfologia controlados, compatíveis, eficazes, de longa durabilidade após aplicação e ambientalmente sustentáveis.

Degradação de glifosato por fotocatálise heterogênea utilizando filmes finos de TiO2 suportados em anéis de quartzo seguida de análise por cromatografia líquida com detecção por fluorescência.

2006

Determinação de dióxido de titânio (TiO2) em fezes de bovinos de corte utilizado como marcador externo por ICP OES.

2016

Photocatalytic production of chemicals and hydrogen from biomass

In this work, with the aim to tackle several approaches towards sustainable chemistry, two reactions were studied: aerobic photo-oxidation of biomass derived 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF), and anaerobic photo-reforming of glycerol known as a by-product in biodiesel industry, towards production of chemicals and hydrogen. Solar-assisted reactions were performed by means of heterogeneous photocatalysis, in mild conditions such as atmospheric pressure, room temperature and water as a benign solvent. Titanium dioxide (lab-synthesized and commercial) was used as a photo-active catalyst, which surface was modified by introducing different metal (e.g. Au, Au-Cu, Pt) and metal oxide (e.g. NiO) nanoparticles. The prepared materials were characterized by XRD, DRS, BET, TEM, SEM, RAMAN and other techniques. The influence of the support, the size and type of the deposited metal and metal oxide nanoparticles on the photo-catalytic transformation of HMF and glycerol was evaluated. In the case of HMF, the influence of the base addition and the oxygen content on the reaction selectivity was also studied. The effect of the crystalline phase composition and morphology of TiO2 in the glycerol photo-reforming reaction was assessed as well. The surface of the synthesized TiO2 nano-powders was investigated by means of Surface Organometallic Chemistry (SOMC) approach. In particular, the surface was characterized by chemical titration and DRIFT techniques. Furthermore, the SOMC concept allowed preparing of well-dispersed Pt nanoparticles on the TiO2 surface. The photo-catalytic activity of this sample in the glycerol photo-reforming process was tested and compared to that of other Pt-containing catalysts prepared by conventional technics. In view of avoiding the agglomeration and sedimentation of suspended titania powders in water media, thick films of synthesized and commercial TiO2 were deposited on a conductive substrate using screen-printing technique. The prepared electrodes were characterized by profilometry, SEM, XRD, optical, electrochemical and photo-electrochemical methods.

Advanced Functional Organic-Inorganic Hybrid (Nano)Materials: from Theranostics to Organic Electronics and Additive Manufacturing

This work is going to show the activities performed in the frame of my PhD studies at the University of Bologna, under the supervision of Prof. Mauro Comes Franchini, at the Department of Industrial Chemistry “Toso Montanari”. The main topic of this dissertation will be the study of organic-inorganic hybrid nanostructures and materials for advanced applications in different fields of materials technology and development such as theranostics, organic electronics and additive manufacturing, also known as 3D printing. This work is therefore divided into three chapters, that recall the fundamentals of each subject and to recap the state-of-the-art of scientific research around each topic. In each chapter, the published works and preliminary results obtained during my PhD career will be discussed in detail.

Caratterizzazione di bioelettrodi elastici a polimero semiconduttore nano-strutturato

Nell'ambito della medicina bioelettronica vi è un grande interesse nello sviluppo di bioelettrodi elastici ad interfaccia nanostrutturata per la rilevazione dei segnali elettrici del sistema nervoso. Uno dei materiali organici più performanti è il polimero conduttivo 3,4-polietilenediossitiofene (PEDOT), drogato col polianione polistirene sulfonato (PSS) a formare il PEDOT:PSS nanocomposito. Questo composto tende però a perdere le proprietà elettrochimiche di partenza quando sottoposto a stress meccanico. Per ottenere una caratterizzazione del materiale è stata esaminata la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) come funzione della frequenza temporale di alcuni elettrodi d' oro rivestiti di PEDOT:PSS elettrodepositato, utilizzando dei substrati microfabbricati. Sono stati inoltre eseguiti confronti con bioelettrodi PEDOT:PSS con l'aggiunta di glicole polietilenico (PEG) in fase di deposizione elettrochimica, un plastificante che migliora le proprietà elastiche dei bioelettrodi. Al fine di ottenere una caratterizzazione topologica dei dispositivi, si è fatto uso di un Microscopio a Forza Atomica (AFM). Infine, è stata elaborata una metodologia per caratterizzare i dispositivi sotto l'azione di uno stress meccanico molto ricorrente nelle applicazioni mediche. Si è constato che gli spettri di impedenza dei bioelettrodi possono essere ragionevolmente descritti da un circuito equivalente formato da una resistenza in serie ad una capacità. I parametri ricavati tramite questo modello sembrano suggerire inoltre un'analogia quantitativa nel comportamento del PEDOT:PSS e del PEDOT:PSS:PEG.

Studio e preparazione di nano e microparticelle proteiche biocompatibili caricate con principi attivi per applicazioni in industrie farmaceutiche e cosmetiche

Negli ultimi decenni i settori farmaceutico e cosmeceutico hanno aumentato costantemente gli investimenti nella ricerca, in modo da garantire soluzioni terapeutiche ad uno spettro di patologie più ampio possibile. È emersa quindi la necessità di migliorare la veicolazione e l’efficacia dei farmaci, ovvero di sviluppare “Drug Delivery Systems” innovativi. Kerline srl si è affacciata a questo specifico mercato, proponendo l’utilizzo di un materiale cheratinoso, estratto da lana e solubile in ambiente acquoso, per la produzione di sistemi micro e nanoparticellari caricati con composti lipofili. Durante lo svolgimento del tirocinio, sono state ottimizzate le procedure di estrazione di due diverse forme di cheratina, una ad alto peso molecolare e una idrolizzata. Queste sono state poi caricate con alcuni principi attivi (acido azelaico, α-tocoferolo acetato e tioconazolo) e le particelle ottenute sono state studiate tramite varie tecniche (DLS/PALS, SEM, Spettroscopia FTIR-ATR, UV-Vis e NMR). Complessivamente, le sospensioni colloidali ottenute sono dotate di buona stabilità sia nel tempo che dal punto di vista termico e mostrano quindi l’ottima compatibilità della cheratina con composti di varia natura.

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.