Approccio colloidale per la preparazione di fotocatalizzatori nanostrutturati a base di TiO2

Oggigiorno si osserva a livello mondiale un continuo aumento dei consumi di acqua per uso domestico, agricolo ed industriale che dopo l’impiego viene scaricata nei corpi idrici (laghi, fiumi, torrenti, bacini, ecc) con caratteristiche chimico fisiche ed organolettiche completamente alterate, necessitando così di specifici trattamenti di depurazione. Ricerche relative a metodi di controllo della qualità dell’acqua e, soprattutto, a sistemi di purificazione rappresentano pertanto un problema di enorme importanza. I trattamenti tradizionali si sono dimostrati efficienti, ma sono metodi che operano normalmente trasferendo l’inquinante dalla fase acquosa contaminata ad un’altra fase, richiedendo perciò ulteriori processi di depurazione. Recentemente è stata dimostrata l’efficacia di sistemi nano strutturati come TiO2-Fe3O4 ottenuto via sol-gel, nella foto-catalisi di alcuni sistemi organici. Questo lavoro di tesi è rivolto alla sintesi e caratterizzazione di un catalizzatore nanostrutturato composito costituito da un core di Fe3O4 rivestito da un guscio di TiO2 separate da un interstrato inerte di SiO2, da utilizzare nella foto-catalisi di sistemi organici per la depurazione delle acque utilizzando un metodo di sintesi alternativo che prevede un “approccio” di tipo colloidale. Partendo da sospensioni colloidali dei diversi ossidi, presenti in commercio, si è condotta la fase di deposizione layer by layer via spray drying, sfruttando le diverse cariche superficiali dei reagenti. Questo nuovo procedimento permette di abbattere i costi, diminuire i tempi di lavoro ed evitare possibili alterazioni delle proprietà catalitiche della titania, risultando pertanto adatto ad una possibile applicazione su scala industriale. Tale sistema composito consente di coniugare le proprietà foto-catalitiche dell’ossido di titanio con le proprietà magnetiche degli ossidi di ferro permettendo il recupero del catalizzatore a fine processo. Il foto-catalizzatore è stato caratterizzato durante tutte la fasi di preparazione tramite microscopia SEM e TEM, XRF, Acusizer, spettroscopia Raman e misure magnetiche. L’attività foto-calitica è stata valutata con test preliminari utilizzando una molecola target tipo il rosso di metile in fase acquosa. I risultati ottenuti hanno dimostrato che il sistema core-shell presenta inalterate sia le proprietà magnetiche che quelle foto-catalitiche tipiche dei reagenti.

Processi di deposizione di blocking layers di TiO2 per Dye - Sensitized Solar Cells (DSSC)

Le Dye – Sensitized Solar Cells (DSSC) sono attualmente considerate tra le alternative più promettenti al fotovoltaico tradizionale. I ridotti costi di produzione e l’elevata versatilità di utilizzo rappresentano i punti di forza di questi dispositivi innovativi. Ad oggi la ricerca è concentrata prevalentemente sull’incremento delle prestazioni delle DSSC, ottenibile solamente attraverso un miglioramento delle funzioni dei singoli componenti e dell’interazione sinergica tra questi. Tra i componenti, ha recentemente assunto particolare interesse il blocking layer (BL), costituito generalmente da un film sottile di TiO2 depositato sulla superficie dell’anodo (FTO) e in grado di ottimizzare i fenomeni all’interfaccia FTO/TiO2/elettrolita. Nel corso di questo lavoro di tesi si è rivolta l’attenzione prevalentemente sulle caratteristiche del BLs (ad esempio proprietà morfologico – strutturali) cercando di mettere in correlazione il processo di deposizione con le caratteristiche finali del film ottenuto. A questo scopo è stato ottimizzato un processo di deposizione dei film via spin coating, a partire da soluzioni acquosa o alcolica di precursore (TiCl4). I film ottenuti sono stati confrontati con quelli depositati tramite un processo di dip coating riportato in letteratura. I BLs sono stati quindi caratterizzati tramite microscopia (SEM – AFM), spettrofotometria (UV.- Vis) e misure elettrochimiche (CV – EIS). I risultati ottenuti hanno messo in evidenza come i rivestimenti ottenuti da soluzione acquosa di precursore, indipendentemente dalla tecnica di deposizione utilizzata (spin coating o dip coating) diano origine a film disomogenei e scarsamente riproducibili, pertanto non idonei per l’applicazione nelle DSSC. Viceversa, i BLs ottenuti via spin coating dalla soluzione alcolica di TiCl4 sono risultati riproducibili, omogenei, e uniformemente distribuiti sulla superficie di FTO. Infine, l’analisi EIS ha in particolare evidenziato un effettivo aumento della resistenza al trasferimento di carica tra elettrodo FTO ed elettrolita in presenza di questi BLs, fenomeno generalmente associato ad un efficace blocking effect.

Untersuchungen zur Löslichkeit von Kobalt und Eisen in TiO 2-Bulk sowie in TiO 2-Nanoproben und deren Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften

Co- und Fe-dotierte Rutil- und Anatas-Bulkproben wurden über einen Sol-Gel Prozess und anschließende thermische Behandlung dargestellt und auf ihre Zugehörigkeit zu der Gruppe der verdünnten magnetischen Oxide untersucht. Die Untersuchungen der dotierten Rutil-Proben mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und magnetischen Methoden zeigen, dass die Löslichkeit von Co und Fe in der TiO2-Modifikation Rutil sehr gering ist. Oberhalb von 1at% Co bzw. Fe wird neben Rutil die Bildung der Oxide CoTiO3 bzw. Fe2TiO5 beobachtet. Weitere thermische Behandlung im Argon-H2-Strom führte aufgrund der Bildung von metallischem Co bzw. Fe zu einem ferromagnetischen Verhalten. Die TiO2-Modifikation Anatas besitzt eine höhere Löslichkeit, so dass erst oberhalb von 4at% Co bzw. 10at% Fe die Phasen Co3O4 bzw. FeTiO3 neben Anatas auftreten. Entsprechende Proben zeigen ein paramagnetisches Verhalten. Oberhalb der Löslichkeitsgrenze führt die Reduktion im Argon-H2-Strom zu einem ferromagnetischen Verhalten, welches auf metallisches Co bzw. Fe zurückzuführen ist. Analog zu den Bulkproben wurden Co- und Fe-dotierte TiO2-Nanodrähte hergestellt. Das magnetische Verhalten der Fe-dotierten TiO2-Nanodrähte entspricht dem der Fe-dotierten Anatas-Bulkproben. Dagegen führt die Co-Dotierung nicht zu einem Einbau in die TiO2-Nanodrähte, sondern zur Bildung von CoOx-Nanopartikeln. Die entsprechenden Proben zeigen ein schwach ferromagnetisches Verhalten. Dies ist jedoch nicht auf eine ferromagnetische Dotierung der TiO2-Nanodrähte zurückzuführen, sondern auf nicht kompensierte Momente an den Oberflächen der als Verunreinigungen auftretenden CoOx-Nanopartikel. Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Löslichkeit von Co und Fe in TiO2 für die Ausbildung eines ferromagnetischen Verhaltens zu gering ist. Der beobachtete Ferromagnetismus lässt sich eindeutig auf magnetische Verunreinigungen zurückführen. Somit können die dotierten TiO2 Proben nicht den verdünnten magnetischen Oxiden zugeordnet werden.

The challenges and the limitations in Life Cycle Impact Assessment for metal oxide nanoparticles, a case study on nano- TiO2

Life Cycle Assessment (LCA) is a chain-oriented tool to evaluate the environment performance of products focussing on the entire life cycle of these products: from the extraction of resources, via manufacturing and use, to the final processing of the disposed products. Through all these stages consumption of resources and pollutant releases to air, water, soil are identified and quantified in Life Cycle Inventory (LCI) analysis. Subsequently to the LCI phase follows the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) phase; that has the purpose to convert resource consumptions and pollutant releases in environmental impacts. The LCIA aims to model and to evaluate environmental issues, called impact categories. Several reports emphasises the importance of LCA in the field of ENMs. The ENMs offer enormous potential for the development of new products and application. There are however unanswered questions about the impacts of ENMs on human health and the environment. In the last decade the increasing production, use and consumption of nanoproducts, with a consequent release into the environment, has accentuated the obligation to ensure that potential risks are adequately understood to protect both human health and environment. Due to its holistic and comprehensive assessment, LCA is an essential tool evaluate, understand and manage the environmental and health effects of nanotechnology. The evaluation of health and environmental impacts of nanotechnologies, throughout the whole of their life-cycle by using LCA methodology. This is due to the lack of knowledge in relation to risk assessment. In fact, to date, the knowledge on human and environmental exposure to nanomaterials, such ENPs is limited. This bottleneck is reflected into LCA where characterisation models and consequently characterisation factors for ENPs are missed. The PhD project aims to assess limitations and challenges of the freshwater aquatic ecotoxicity potential evaluation in LCIA phase for ENPs and in particular nanoparticles as n-TiO2.

Ossidazione catalitica del 5-idrossimetilfurfurale con sistemi Pd/Au supportati su TiO2

Al giorno d’oggi, la produzione di energia e di molecole di base per l’industria chimica è completamente dipendente da risorse non rinnovabili come petrolio, carbone e gas naturale ; con tali risorse in via di esaurimento e la sempre crescente domanda di energia e materiali da parte di tutte le economie, risulta obbligatorio sviluppare tecniche per la loro produzione da risorse rinnovabili. Le biomasse, oltre ad essere una fonte rinnovabile, generano minori emissioni di gas serra rispetto ai combustibili fossili, perché la CO2 rilasciata nei processi di utilizzo viene bilanciata da quella consumata nel processo di crescita delle biomasse stesse. Tuttavia, ad oggi, lo sfruttamento di queste fonti risulta ancora sfavorito economicamente a causa di processi industriali non ancora ottimizzati, i cui costi si ripercuotono sul prodotto finale. Le molecole derivanti dagli scarti lignocellulosici possono essere usate come molecole di partenza per industrie chimiche di qualsiasi tipo, da quelle farmaceutiche a quelle plastiche. Queste molecole sono già parzialmente funzionalizzate; ciò significa che la sintesi di prodotti chimici specifici richiede un minor numero di stadi rispetto ai building blocks petroliferi, con conseguente diminuzione di prodotti di scarto e sottoprodotti . Una delle molecole “piattaforma” identificate tra le più importanti per la produzione di diversi prodotti chimici, risulta essere il 5-idrossimetilfurfurale (HMF) , derivante dalla disidratazione di polisaccaridi esosi, da cui si può ottenere tramite ossidazione selettiva, l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), potenziale sostituto dell’acido tereftalico nella produzione del PET e molti altri prodotti. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio della reattività di catalizzatori a base di Pd e Au/Pd utilizzati nella reazione di ossidazione dell’HMF a FDCA. Il lavoro svolto ha avuto come obiettivi principali: • L’ottimizzazione della sintesi di nanoparticelle di Pd e Au/Pd a diverso rapporto molare, e la caratterizzazione delle sospensioni ottenute mediante analisi DLS, XRD e TEM. • La preparazione di catalizzatori supportati su TiO2 e la caratterizzazione dei catalizzatori ottenuti tramite analisi BET, TEM e analisi termiche TGA/DSC. • Lo studio dell’attività catalitica dei catalizzatori preparati nell’ossidazione selettiva in fase liquida del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) ad acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA) e del meccanismo di reazione.

Selective photo-oxidation of cellobiose with tio2-supported metal nanoparticles

Upgrade of biomass to valuable chemicals is a central topic in modern research due to the high availability and low price of this feedstock. For the difficulties in biomass treatment, different pathways are still under investigation. A promising way is in the photodegradation, because it can lead to greener transformation processes with the use of solar light as a renewable resource. The aim of my work was the research of a photocatalyst for the hydrolysis of cellobiose under visible irradiation. Cellobiose was selected because it is a model molecule for biomass depolymerisation studies. Different titania crystalline structures were studied to find the most active phase. Furthermore, to enhance the absorption of this semiconductor in the visible range, noble metal nanoparticles were immobilized on titania. Gold and silver were chosen because they present a Surface Plasmon Resonance band and they are active metals in several photocatalytic reactions. The immobilized catalysts were synthesized following different methods to optimize the synthetic steps and to achieve better performances. For the same purpose the alloying effect between gold and silver nanoparticles was examined.

Design, synthesis and Chemical-physical characterization of photocatalytic inorganic nanocrystals for technological applications

This work was based on the synthesis and characterization of innovative crystals for biomedical and technological applications. Different types of syntheses were developed in order to obtain crystals with high photocatalytic properties. A hydrothermal synthesis was also processed to correlate the chemical-physical characteristics with synthesis parameters obtaining synthesis of nanoparticles of titanium dioxide with different morphology, size and crystalline phase depending on the variation of the synthesis parameters. Also a synthesis in water at 80 °C temperature and low pressure was developed from which anatase containing a small percentage of brookite nanoparticles were obtained, presenting a high photocatalytic activity. These particles have been used to obtain the microcrystals formed by an inorganic core of hydroxyapatite surface covered by TiO2 nanoparticles. Micrometer material with higher photocatalytic has been produced. The same nanoparticles have been functionalized with resorcinol oxidized in order to increase the photocatalytic efficiency. Photodegradation test results have confirmed this increase. Finally, synthetic nanoparticles with a waterless synthesis using formic acid and octanol, through esterification "in situ" were synthesized. Nanoparticles superficially covered by carboxylic residues able to bind a wide range of molecules to obtain further photocatalytic properties were obtained.

Caratterizzazione del soppressore tumorale miR-101 nel colon carcinoma

I microRNA sono una classe di piccole molecole di RNA non codificante che controllano la stabilità di numerosi RNA messaggeri, perciò sono considerati come “master regulator” dell’espressione genica. Ogni tumore è caratterizzato da un profilo di espressione alterato dei microRNA. Il miR-101 è un oncosoppressore represso nei tessuti tumorali ed è candidato come biomarcatore del cancro colon-rettale. È regolato da numerosi eventi fisiologici e patologici, come angiogenesi e carcinogenesi. Gli eventi molecolari coinvolti nella regolazione dell’espressione del miR-101 sono scarsamente conosciuti, poiché è trascritto da due loci genici non caratterizzati. L’obiettivo di questo lavoro è di caratterizzare i geni del miR-101 ed individuarne i regolatori molecolari coinvolti nella cancerogenesi colon-rettale.

Tailoring properties and functionalities of TiO2 and Ag nanoparticles involved in surfaces engineering processes

The functionalization of substrates through the application of nanostructured coatings allows to create new materials, with enhanced properties. In this work, the development of self-cleaning and antibacterial textiles, through the application of TiO2 and Ag based nanostructured coatings was carried out. The production of TiO2 and Ag functionalized materials was achieved both by the classical dip-padding-curing method and by the innovative electrospinning process to obtain nanofibers doped with nano-TiO2 and nano-Ag. In order to optimize the production of functionalized textiles, the study focused on the comprehension of mechanisms involved in the photocatalytic and antibacterial processes and on the real applicability of the products. In particular, a deep investigation on the relationship between nanosol physicochemical characteristics, nanocoating properties and their performances was accomplished. Self-cleaning textiles with optimized properties were obtained by properly purifying and applying commercial TiO2 nanosol while the studies on the photocatalytic mechanism operating in self-cleaning application demonstrated the strong influence of hydrophilic properties and of interaction surface/radicals on final performance. Moreover, a study about the safety in handling of nano-TiO2 was carried out and risk remediation strategies, based on “safety by design” approach, were developed. In particular, the coating of TiO2 nanoparticles by a SiO2 shell was demonstrated to be the best risk remediation strategy in term of biological response and preserving of photoreactivity. The obtained results were confirmed determining the reactive oxygen species production by a multiple approach. Antibacterial textiles for biotechnological applications were also studied and Ag-coated cotton materials, with significant anti-bacterial properties, were produced. Finally, composite nanofibers were obtained merging biopolymer processing and sol-gel techniques. Indeed, electrospun nanofibers embedded with TiO2 and Ag NPs, starting from aqueous keratin based formulation were produced and the photocatalytic and antibacterial properties were assessed. The results confirmed the capability of electrospun keratin nanofibers matrix to preserve nanoparticle properties.

Pre-edge analysis of X-rays absorption spectra in TiO2 modified films

The thesis is mainly focused on the pre-edge analysis of XAS spectra of Ti HCF sample hexacyanocobaltate and hexacyanoferrate samples doped on a Indium Tin Oxide (ITO) thin film. The work is aimed at the determination of Ti oxidation state, as well as indication of various coordination number in the studied samples. The experiment have been conducted using XAFS (X-ray absorption fine structure)beamline at Elettra synchrotron, Trieste (Italy) under supervision of Professor Marco Giorgetti, Department of Industrial Chemistry, University of Bologna. The Master thesis accreditation to fullfill the ASC Master of Advanced Spectroscopy in Chemistry Degree requirement.

Studio dell'interazione di etanolo con catalizzatori TiO2-CeOx.

Due to the limited availability of natural oil and the harmful effects of its usage, the industry has focused in searching for sustainable types of raw materials for the production of chemicals. The bioethanol, obtained by fermentation of biomass, has gained particular importance in recent years both as a biofuel, and as a “building block” molecule because it can be considered as a starting reagent to obtain other added value chemical compounds, such as ethylene, acetaldehyde, butadiene and ethyl acetate. The goal of this research was the study of the interaction of ethanol with catalysts based on TiO2-CeOX. Since the electronic properties have implications on the catalytic activity, the idea was to understand if the TiO2-CeOX systems have different reactivity from that of ceria and rutile alone, or an intermediate between them. The study was focused on the characterization of the adsorbed species on the catalysts surface after ethanol adsorption through an in-situ spectroscopic technique (DRIFTS) that allowed us to extract information that could be helpful for the understanding of the processes at the molecular level. The mass spectrometry was used to monitor on-line the desorbed products. Furthermore, reactivity tests in a flow reactor were performed, in order to verify the catalytic behavior of the samples in conditions which are more similar to those applied at an industrial scale. The samples showed to behave in different way depending on the conditions used and the thermal treatment. The particular behavior of the mixed samples with respect to the single oxides is interpreted for each case according to the spectroscopic information collected.

A new technique for simultaneous validation of two manual nonmercury auscultatory sphygmomanometers (A;D UM-101 and Accoson Greenlight 300) based on the International protocol

Auscultatory nonmercury manual devices seem good alternatives for the mercury sphygmomanometers in the clinic and for research settings, but individual internal validation of each device is time-consuming. The aim of this study was to validate a new technique capable of testing two devices simultaneously, based on the International protocol of the European Society of Hypertension.

Determining the optical properties of a gelatin-TiO2 phantom at 780 nm

Tissue phantoms play a central role in validating biomedical imaging techniques. Here we employ a series of methods that aim to fully determine the optical properties, i.e., the refractive index n, absorption coefficient μa, transport mean free path ℓ∗, and scattering coefficient μs of a TiO2 in gelatin phantom intended for use in optoacoustic imaging. For the determination of the key parameters μa and ℓ∗, we employ a variant of time of flight measurements, where fiber optodes are immersed into the phantom to minimize the influence of boundaries. The robustness of the method was verified with Monte Carlo simulations, where the experimentally obtained values served as input parameters for the simulations. The excellent agreement between simulations and experiments confirmed the reliability of the results. The parameters determined at 780 nm are n=1.359(±0.002), μ′s=1/ℓ∗=0.22(±0.02) mm-1, μa= 0.0053(+0.0006-0.0003) mm-1, and μs=2.86(±0.04) mm-1. The asymmetry parameter g obtained from the parameters ℓ∗ and μ′s is 0.93, which indicates that the scattering entities are not bare TiO2 particles but large sparse clusters. The interaction between the scattering particles and the gelatin matrix should be taken into account when developing such phantoms.