Materiali Ceramici per Edilizia con Funzionalità Fotocatalitica

This thesis wad aimed at the study and application of titanium dioxide photocatalytic activity on ceramic materials. As a matter of fact, photocatalysis is a very promising method to face most of the problems connected with the increasing environmental pollution. Furthermore, titanium dioxide, in its anatase crystallographic phase, is one of the most investigated photocatalytic material and results to be perfectly compatible with silicate body mixes. That goal was pursued by two different strategies: 1. the addition to a body mix used for heavy clay products of several titania powders, with different mean crystallite size, surface area, morphology and anatase/rutile ratio and a titania nanosuspension as well. The titania addition followed two procedures: bulk and spray addition over the ceramic samples surface. Titania was added in two different percentages: 2.5 and 7.5 wt.% in both of the methods. The ceramic samples were then fired at three maximum temperatures: 900, 950 and 1000 °C. Afterwards, the photocatalytic activity of the prepared ceramic samples was evaluated by following the degradation of an organic compound in aqueous medium, under UV radiation. The influence of titania morphological characteristics on the photoactivity of the fired materials was studied by means of XRD and SEM observations. The ceramic samples, sprayed with a slip containing 7.5 wt.% of titania powder and fired at 900 °C, have the best photoactivity, with a complete photo-decomposition of the organic compound. At 1000 °C no sample acted as a photocatalyst due to the anatase-to-rutile phase transformation and to the reaction between titania and calcium and iron oxides in the raw materials. 2. The second one foresaw the synthesis of TiO2-SiO2 solid solutions, using the following stoichiometry: Ti1-xSixO2 where x = 0, 0.1, 0.3 and 0.5 atoms per formula unit (apfu). The mixtures were then fired following two thermal cycles, each with three maximum temperatures. The effect of SiO2 addition into the TiO2 crystal structure and, consequently, on its photocatalytic activity when fired at high temperature, was thoroughly investigated by means of XRD, XPS, FE-SEM, TEM and BET analysis. The photoactivity of the prepared powders was assessed both in gas and liquid phase. Subsequently, the TiO2-SiO2 solid solutions, previously fired at 900 °C, were sprayed over the ceramic samples surface in the percentage of 7.5 wt.%. The prepared ceramic samples were fired at 900 and 1000 °C. The photocatalytic activity of the ceramic samples was evaluated in liquid phase. Unfortunately, that samples did not show any appreciable photoactivity. In fact, samples fired at 900 °C showed a pretty low photoactivity, while the one fired at 1000 °C showed no photoactivity at all. This was explained by the excessive coarsening of titania particles. To summarise, titania particle size, more than its crystalline phase, seems to have a relevant role in the photocatalytic activity of the ceramic samples.

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.

Crescita e analisi strutturale di film nanoparticellari di titania

Il lavoro di questa tesi è incentrato sulla crescita e lo studio delle proprietà strutturali di sistemi nanostrutturati di titanio e ossido di titanio, prodotti mediante la tecnica della condensazione in gas inerte. Lo studio è finalizzato in particolare ad ottenere un materiale idoneo per la produzione di idrogeno tramite la foto-elettrolisi. Nel primo capitolo viene descritto a livello teorico il processo di scissione dell’acqua all’interno di celle foto-elettrochimiche, in cui viene impiegato il TiO2 (titania) come foto-anodo. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnica di crescita, viene descritta la macchina utilizzata illustrandone vantaggi e limitazioni. Inoltre viene fornita una descrizione teorica del tipo di crescita che avviene all’interno della camera di evaporazione. Allo scopo di comprendere meglio questi processi, vengono riportati nel capitolo 3 alcuni studi, basati su principi primi, riguardanti la stabilità di fase e le trasformazioni di fase per i tre principali polimorfi del TiO2. Nel capitolo 4 sono illustrate le tecniche impiegate per l’indagine strutturale: diffrazione e assorbimento di raggi X con relativa analisi dati, microscopia elettronica a scansione. Prima di misurare l’attività fotocatalitica dei campioni di nanoparticelle di titania, è necessario condurre delle misure di fotocorrente in una cella foto-elettrochimica, i risultati di queste analisi di tipo funzionale sono presentati nel capitolo 5. Nel capitolo 6 sono riportate le conclusioni del lavoro di tesi.

Crescita di nanoparticelle in flusso di gas inerte

Lo scopo della seguente tesi è quello di illustrare la disposizione dei campioni di sistemi binari Mg Pd e di deposizioni singole di Ti, nell’abito di due progetti di ricerca, l’SSHS, Solide State Hydrogen Storage nell’ambito dell’Azione COST, e la produzione di titania (TiO2) per la fotocatalisi, sintetizzati in differenti reggimi di flusso di gas d’He, realizzando la crescita con il metodo IGC. Sono state illustrate le nuove proprietà e i metodi di formazione dei materiali nanostrutturati, per poi passare alla descrizione dell’apparato dove sono stati prodotti i campioni, con la conseguente spiegazione della progettazione del controllore di flusso dei sistemi di alimentazione e interfacciamento di quest’ultimo. Dopo un’accurata analisi al microscopio elettronico, `e stata descritta la morfologia dei campioni a due diversi reggimi di flusso di gas He, per i campioni di Mg Pd non sono state apprezzate differenze al variare del flusso, per il Ti, invece, si può notare una variazione morfologica legata alle dimensioni.

Attività fotocatalitica del biossido di titanio applicato ai materiali da costruzione. Analisi delle prestazioni in funzione della tipologia di supporto e della tecnica di deposizione

I materiali fotocatalitici, se opportunamente irradiati con luce di una opportuna lunghezza d'onda, consentono un maggior abbattimento delle sostanze organiche e inorganiche nocive con le quali vengono a contatto. Essi sono in grado inoltre grazie alla loro spiccata idrofilia di conservare inalterato nel tempo il loro aspetto estetico. Il connubio ingegneria e chimica ha creato dunque materiali fotocatalitici contenenti al loro interno particelle di TiO2, il principale fotocatalizzatore in commercio, che, applicati in ambiti urbani ed edilizi come rivestimenti, pitture, rimescolato in pasta di malte o masselli autobloccanti, pitture o piastrelle antisettiche e vetri autopulenti, possono generare effetti positivi in termini sia di antinquinamento che di antibattericità. La tesi parte dalla descrizione delle reazioni chimiche che stanno alla base della fotocatalisi e prosegue descrivendo il fotocatalizzatore più attivo ed efficace fino ad ora scoperto, il TiO2. Nella seconda parte della tesi si citano le principali aziende italiane e mondiali che si sono impegnate nella produzione di materiali fotocatalitici, riportando le loro opere e i loro prodotti. Nella parte terza si vogliono invece fornire le informazioni generali attualmente conosciute sulla minaccia alla salute che può costituire l'utilizzo di materiali nanometrici come il TiO2. Nella parte quarta invece si risponde alle ancora frequenti domande riguardanti l'efficacia del TiO2 nelle applicazioni reali al variare del materiale di supporto, la sua efficacia nel lungo termine, il reale effetto autopulente nell'ambiente reale e nel suo impatto sull'ambiente. Si riportano i risultati di laboratorio riguardanti l'efficacia fotocatalitica in termini di degradazione di tinte e di angolo di contatto, direttamente applicati alla realtà delle costruzioni: su supporti diversi in termini di permeabilità e idrorepellenza, è stata applicata una sospensione acquosa fotocatalitica applicata sia a pennello che tramite getto spray HVLP. Alcuni campioni sono poi stati dilavati simulando l'azione atmosferica di weathering dell'area bolognese.

Ingegnerizzazione di materiali nanostrutturati fotocataliticamente attivi

Il lavoro oggetto di questa tesi è rivolto alla sintesi e alla caratterizzazione di materiali nanostrutturati costituiti da biossido di titanio e ossido di silicio da utilizzare come fotocatalizzatori per la depurazione delle acque. L’obiettivo è stato quello di realizzare un sistema in fase solida costituito da una matrice inerte, la silice, e una fase fotocataliticamente attiva, la nano-TiO2. Tale sistema si inserisce perfettamente nel settore di ricerca che studia la sintesi colloidale di eterostrutture nano e micro cristalline che combinano materiali diversi in un’unica particella. Il progetto nasce all’interno dell’ISTEC-CNR di Faenza, dove è stato svolto il lavoro.

Implications of precursor chemistry on the alkaline hydrothermal synthesis of titania/titanate nanostructures

A systematic study of four parameters within the alkaline hydrothermal treatment of three commercial titania powders—anatase, rutile, and Degussa P25—was made. These powders were treated with 5, 7.5, 9, and 10 M NaOH between 100 and 220 °C for 20 h. The effects of alkaline concentration, hydrothermal temperature, and precursor phase and crystallite size on the resultant nanostructure formation have been studied through X-ray diffraction, Raman spectroscopy, transmission electron microscopy, and nitrogen adsorption. Through the correlation of these data, morphological phase diagrams were constructed for each commercial powder. Interpretation of the resultant morphological phase diagrams indicates that alkaline concentration and hydrothermal temperature affect nanostructure formation independently, where nanoribbon formation is significantly influenced by temperature for initial formation. The phase and crystallite size of the precursor also significantly influenced nanostructure formation, with rutile displaying a slower rate of precursor consumption compared with anatase. Small crystallite titania precursors formed nanostructures at reduced hydrothermal temperatures.

Infrared spectroscopic investigation of the effects of titania photocatalyst on the degradation of linear low density polyethylene film for commercial applications

There is a need in industry for a commodity polyethylene film with controllable degradation properties that will degrade in an environmentally neutral way, for applications such as shopping bags and packaging film. Additives such as starch have been shown to accelerate the degradation of plastic films, however control of degradation is required so that the film will retain its mechanical properties during storage and use, and then degrade when no longer required. By the addition of a photocatalyst it is hoped that polymer film will breakdown with exposure to sunlight. Furthermore, it is desired that the polymer film will degrade in the dark, after a short initial exposure to sunlight. Research has been undertaken into the photo- and thermo-oxidative degradation processes of 25 ìm thick LLDPE (linear low density polyethylene) film containing titania from different manufacturers. Films were aged in a suntest or in an oven at 50 °C, and the oxidation product formation was followed using IR spectroscopy. Degussa P25, Kronos 1002, and various organic-modified and doped titanias of the types Satchleben Hombitan and Hunstsman Tioxide incorporated into LLDPE films were assessed for photoactivity. Degussa P25 was found to be the most photoactive with UVA and UVC exposure. Surface modification of titania was found to reduce photoactivity. Crystal phase is thought to be among the most important factors when assessing the photoactivity of titania as a photocatalyst for degradation. Pre-irradiation with UVA or UVC for 24 hours of the film containing 3% Degussa P25 titania prior to aging in an oven resulted in embrittlement in ca. 200 days. The multivariate data analysis technique PCA (principal component analysis) was used as an exploratory tool to investigate the IR spectral data. Oxidation products formed in similar relative concentrations across all samples, confirming that titania was catalysing the oxidation of the LLDPE film without changing the oxidation pathway. PCA was also employed to compare rates of degradation in different films. PCA enabled the discovery of water vapour trapped inside cavities formed by oxidation by titania particles. Imaging ATR/FTIR spectroscopy with high lateral resolution was used in a novel experiment to examine the heterogeneous nature of oxidation of a model polymer compound caused by the presence of titania particles. A model polymer containing Degussa P25 titania was solvent cast onto the internal reflection element of the imaging ATR/FTIR and the oxidation under UVC was examined over time. Sensitisation of 5 ìm domains by titania resulted in areas of relatively high oxidation product concentration. The suitability of transmission IR with a synchrotron light source to the study of polymer film oxidation was assessed as the Australian Synchrotron in Melbourne, Australia. Challenges such as interference fringes and poor signal-to-noise ratio need to be addressed before this can become a routine technique.

Morphological investigations of supported titania photocatalysts

Due in no small part to an increasing need to augment existing water purification strategies, the synthesis of titania photocatalysts has been under considerable examination. However, in order to make the use of titania photocatalysts commercially viable there needs to be an increase in the efficiency of the catalysts while decreasing the potential toxicity. Due to its high porosity and novel optical properties, inverse opal titania derived from colloidal crystal templating offers one of the most efficient solutions. While a number of synthesis methods for inverse opal titania have been presented in the literature, the co�]deposition method offers the most effective method of generating the relative large areas of inverse opal material. The factors which affect the codeposition method and the mechanism by which titania inverse opals form in general remain relatively unstudied. This manuscript presents an examination of the morphology of inverse opals generated by the co�]deposition method while proposing a mechanism by which the inverse structures form.