Sintesi e caratterizzazione di catalizzatori a base di Sn e Sb per l'elettrogenerazione di acqua ossigenata

Hydrogen peroxide is a relevant commodity in today's world, and its demand is continuously rising year after year in various fields, such as the medical field, where it is used as a disinfectant, in the textile and paper industry as a bleaching agent, as a reagent in the chemical industry, and as a wastewater treatment agent. The rise in popularity of Hydrogen peroxide is due to the increase in environmental awareness since its degradation products are just water and oxygen. Despite that, its production is done almost exclusively through the Anthraquinone process, which is known for its high energy cost and the ample use of organic solvents and H2 gas. Alternatively, Hydrogen peroxide can be produced with novel methods such as the two electrons oxygen reduction reaction (2e-ORR) in aqueous media. The main issue of this method is the use of noble metals (PGM metals) in the catalyst, such as Pd and Au, which are problematic due to their poor supply and are categorized as “critical raw materials”. To cope with this problem, researchers are focussing on the development of PGM-free and metal-free or Carbon-based catalysts. In the following thesis, it has been studied the viability of single-atom catalysts (SAC) based on Sb and Sn atoms for the 2e-ORR reaction in aqueous media. Experimental parameters and conditions were optimized to obtain the best yield of production. Then the catalysts have been fully characterized from a physicochemical point of view. Electrochemical characterization was carried out on rotating ring disk electrode (RRDE) setup, to obtain activity and selectivity information, and on a gas diffusion electrode (GDE) setup to carry out accumulation and stability tests.

Il perossido di idrogeno è una commodity di rilevante importanza nel mondo odierno la cui domanda è un continuo aumento anno dopo anno e trova un grande impiego come disinfettante in campo medico, sbiancante nel tessile e nell’industria della carta, come reagente nell’industria chimica e come agente per il trattamento delle acque. La sua crescente domanda è anche dovuta ad una consapevolezza ecologica legata al fatto che la sua decomposizione produce acqua e ossigeno. Nonostante ciò, la sua produzione è fatta quasi esclusivamente attraverso il processo all’Antrachinone noto per l’elevato consumo energetico l’ampio uso di solventi organici e di H2 gassoso. In alternativa, H2O2 può anche essere prodotta attraverso altri metodi innovativi, come per esempio la reazione di riduzione dell’ossigeno a due elettroni (2e-ORR) per via elettrochimica. Le problematiche di tale processo sono legate principalmente al tipo di catalizzatore utilizzato. L’attuale stato dell’arte prevede l’utilizzo di metalli nobili quali Pd e Au, i quali risultano essere problematici a livello di approvvigionamento e rientrano nella categoria di “critical raw materials”. Per fare fronte a tale problematica l’attuale ricerca è impegnata nello sviluppo di catalizzatori PGM-free (Platinum Group Metals-free) e Metal-free o Carbon-based. Nella seguente tesi si è stato studiato l’utilizzo di catalizzatori a singolo atomo (SAC) a base di Sb e di Sn per la 2e-ORR in ambiente acquoso. Le condizioni ed i parametri sperimentali di sintesi sono stati ottimizzati in modo tale ottenere la migliore resa e produzione di H2O2 ed i catalizzatori sono stati poi pienamente caratterizzati dal punto di vista chimico fisico. Sono inoltre state svolte caratterizzazioni su elettrodo a disco ed anello rotante per ottenere informazioni della selettività e infine sono state svolte prove di accumulo su elettrodi a diffusione di gas per simulare un eventuale impiego dei catalizzatori per la produzione industriale.