Negli ultimi decenni, la crescente richiesta energetica mondiale, la limitata disponibilità di combustibili fossili e le problematiche connesse all’inquinamento ambientale hanno spinto la comunità scientifica ad indagare e mettere a punto nuove tecnologie e processi per l’ottenimento di vettori energetici sostenibili e l’abbattimento di inquinanti. Nel primo dei contesti succitati, un approccio alquanto promettente è rappresentato dallo sviluppo di opportuni (foto)elettrocatalizzatori in grado di promuovere la scissione dell’acqua (water splitting), eventualmente anche tramite l’impiego della radiazione solare. Sebbene questa reazione sia finalizzata a produrre H2 (una molecola ad elevato contenuto energetico, stoccabile e trasportabile, e la cui combustione non genera sottoprodotti dannosi) tramite la cosiddetta Hydrogen Evolution Reaction (HER), il collo di bottiglia dell’intero processo è costituito dall’ossidazione dell’acqua a O2 (Oxygen Evolution Reaction, OER). Per tale motivo, lo sviluppo di materiali fotoelettrocatalizzatori dotati di elevata attività e stabilità nei confronti della OER costituisce una priorità per la ricerca scientifica nel settore. Inoltre, per favorire la HER, è possibile utilizzare delle soluzioni acquose che contengano opportuni composti organici in grado di agire come agenti sacrificali che si ossidano più facilmente dell’acqua. In questo caso, il processo anodico che ha luogo non è la OER bensì la degradazione delle specie organiche presenti. La conseguenza è che, se tali sostanze sono specie inquinanti di rilievo, l’evoluzione di H2 può essere accompagnata -in condizioni ottimizzate- dalla simultanea purificazione della soluzione acquosa impiegata. Su tali premesse, il presente lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di (foto)elettrocatalizzatori di ossidazione a base di nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4) ed ematite (α-Fe2O3). Questi due semiconduttori, costituiti da elementi non tossici e largamente disponibili, sono in grado di assorbire una frazione significativa della luce visibile e posseggono una promettente attività catalitica, che può essere ulteriormente esaltata tramite il loro accoppiamento controllato. In tale contesto, particolare attenzione è stata dedicata allo sviluppo di materiali eterocompositi g-C3N4/α-Fe2O3 su substrati conduttori (Ni foam e FTO). Le attività sperimentali hanno riguardato l’ottimizzazione dei protocolli sintetici, un’attenta caratterizzazione chimico-fisica dei sistemi elettrodici ottenuti e l’indagine delle loro proprietà funzionali in processi di water splitting, e nella produzione di H2 accompagnata alla simultanea degradazione di inquinanti organici in soluzione acquosa.

Elettrocatalizzatori compositi per applicazioni sostenibili

CASSOLA, FLORENCIA
2022/2023

Abstract

Negli ultimi decenni, la crescente richiesta energetica mondiale, la limitata disponibilità di combustibili fossili e le problematiche connesse all’inquinamento ambientale hanno spinto la comunità scientifica ad indagare e mettere a punto nuove tecnologie e processi per l’ottenimento di vettori energetici sostenibili e l’abbattimento di inquinanti. Nel primo dei contesti succitati, un approccio alquanto promettente è rappresentato dallo sviluppo di opportuni (foto)elettrocatalizzatori in grado di promuovere la scissione dell’acqua (water splitting), eventualmente anche tramite l’impiego della radiazione solare. Sebbene questa reazione sia finalizzata a produrre H2 (una molecola ad elevato contenuto energetico, stoccabile e trasportabile, e la cui combustione non genera sottoprodotti dannosi) tramite la cosiddetta Hydrogen Evolution Reaction (HER), il collo di bottiglia dell’intero processo è costituito dall’ossidazione dell’acqua a O2 (Oxygen Evolution Reaction, OER). Per tale motivo, lo sviluppo di materiali fotoelettrocatalizzatori dotati di elevata attività e stabilità nei confronti della OER costituisce una priorità per la ricerca scientifica nel settore. Inoltre, per favorire la HER, è possibile utilizzare delle soluzioni acquose che contengano opportuni composti organici in grado di agire come agenti sacrificali che si ossidano più facilmente dell’acqua. In questo caso, il processo anodico che ha luogo non è la OER bensì la degradazione delle specie organiche presenti. La conseguenza è che, se tali sostanze sono specie inquinanti di rilievo, l’evoluzione di H2 può essere accompagnata -in condizioni ottimizzate- dalla simultanea purificazione della soluzione acquosa impiegata. Su tali premesse, il presente lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di (foto)elettrocatalizzatori di ossidazione a base di nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4) ed ematite (α-Fe2O3). Questi due semiconduttori, costituiti da elementi non tossici e largamente disponibili, sono in grado di assorbire una frazione significativa della luce visibile e posseggono una promettente attività catalitica, che può essere ulteriormente esaltata tramite il loro accoppiamento controllato. In tale contesto, particolare attenzione è stata dedicata allo sviluppo di materiali eterocompositi g-C3N4/α-Fe2O3 su substrati conduttori (Ni foam e FTO). Le attività sperimentali hanno riguardato l’ottimizzazione dei protocolli sintetici, un’attenta caratterizzazione chimico-fisica dei sistemi elettrodici ottenuti e l’indagine delle loro proprietà funzionali in processi di water splitting, e nella produzione di H2 accompagnata alla simultanea degradazione di inquinanti organici in soluzione acquosa.
2022
Composite electrocatalysts for sustainable applications
g-C3N4
α-Fe2O3
eterogiunzioni
semiconduttore
fotoelettrocatalizza
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