Ottimizzazione della sintesi Idrotermale di nanorods di WO3 per applicazioni energetiche e ambientali

La possibilità di sintetizzare materiali su scala nanometrica e di modificarne i parametri chimici e fisici consente di ottimizzare sempre più dispositivi per le tecnologie emergenti. I nanomateriali sono caratterizzati da proprietà fisiche e chimiche dipendenti dalla struttura, forma e dimensioni uniche e un elevato rapporto superficie/volume, che li rendono i materiali più versatili per aprire nuove opportunità nella scienza e nelle tecnologie. I semiconduttori di ossido di metallo possono essere facilmente sintetizzati in forma nanostrutturata e sono emersi come materiali che possiedono un'ampia gamma di proprietà controllabili. Tra questi, il WO3 è un semiconduttore di tipo n con un gap di banda indiretta compresa tra 2,6-3,2 eV e un'elevata stabilità chimica e fisica, che lo rendono il candidato più adatto per molte applicazioni, come il sensing, le smart windows elettrocromiche, lo storage di energia elettrochimica e la produzione elettrochimica di idrogeno e ossigeno. Il WO3 fu sintetizzato per la prima volta nel 1841 da Robert Oxland e suscitò subito un grande interesse per la sua capacità cromogenica e le sue eccezionali proprietà elettriche. Negli ultimi decenni, il WO3 è stato studiato e analizzato a fondo, essendo un sistema quasi ideale da un punto di vista sperimentale grazie alle sue proprietà (facilità di nanostrutturazione, opportuna band gap, possibilità di ottenere diverse strutture cristalline, ...). Le nanostrutture di WO3 possono essere sintetizzate con vari metodi, sebbene molti di questi richiedano configurazioni sperimentali difficili e più estese. Tra questi, la sintesi idrotermale rappresenta una tecnica a basso costo, facile e altamente riproducibile per la sintesi di nanostrutture di WO3. La morfologia e la struttura cristallina possono essere controllate semplicemente modificando i parametri di sintesi, nonché il pH della soluzione, il capping agent o il trattamento termico, e la sintesi è altamente riproducibile. In questa tesi, l'attenzione è riservata alle nanostrutture di WO3 1D, poiché sono le candidate adatte per molte applicazioni, grazie alla loro morfologia e al rapporto superficie-volume. Sarà condotta un'attenta analisi dei più importanti parametri di sintesi idrotermale (pH, tempo di sintesi e ruolo del substrato), che porterà ad un'ottimizzazione della procedura per ottenere nanorods di WO3 esagonali ben definiti e nanostrutture urchin-like. Inoltre, le procedure di annealing post sintesi hanno permesso di modificare la struttura cristallina dei nanorods di WO3, ottenendo così una giunzione di fase esagonale-monoclina che permette di migliorare l'attività elettrochimica. In questo modo, le nanostrutture di WO3 ottenute con morfologia e fasi cristalline ottimizzate vengono studiate per applicazioni sensing, smart windows elettrocromiche, lo storage di energia elettrochimica e water splitting. La tesi è organizzata come segue: • il primo capitolo è un'introduzione al WO3 e alle nanotecnologie. Vengono presentate le proprietà fondamentali di WO3 nonché i più importanti campi di applicazione. Viene descritto il miglioramento dovuto alla nanotecnologia e vengono mostrate diverse nanostrutture di WO3 con diverse proprietà; • nel secondo capitolo viene presentata la procedura di sintesi delle nanostrutture di WO3, soffermandosi su vantaggi e svantaggi di ciascuna. Viene descritta l'attenta indagine della sintesi idrotermale, allo scopo di definire il ruolo dei parametri di sintesi (pH, tempo di annealing e capping agent) nella morfologia e nelle fasi cristalline delle nanostrutture ottenute. Viene in seguito riportata la procedura ottimizzata per la sintesi di nanorods WO3 esagonali ben definite e nanostrutture urchin-like; • il terzo capitolo riporta la realizzazione di un sensore di gas a basso costo utilizzando i nanorods esagonali di WO3. Vengono presentate e studiate le prestazioni di rilevamento dell'H2, per determinare i meccanismi attivi che descrivono l'interazione H2-WO3 durante la fase di risposta e recupero. Lo stesso elettrodo viene utilizzato per il rilevamento dell'NO. Vengono riportate e studiate le prestazioni di rilevamento e viene presentata una proposta di modello che descriva i meccanismi attivi durante la fase di risposta e recupero; • il quarto capitolo riporta un trattamento termico post-sintesi che porta ad una transizione di fase cristallina. Si ottengono nanorods di WO3 con diversa concentrazione di giunzioni di fase esagonale-monoclina e utilizzati per la realizzazione di un elettrodo per la produzione elettrochimica di idrogeno. Le proprietà catalitiche ed elettrochimiche sono studiate in funzione della composizione della fase cristallina. Risultati eccezionali si ottengono per l'elettrodo che possiede un uguale contenuto di cristalliti esagonali e monoclini; • il quinto capitolo riporta lo studio delle nanostrutture di WO3 per applicazioni di accumulo di energia in funzione della morfologia e della struttura cristallina. Si ottiene un'eccezionale attività di accumulo di energia per le nanostrutture esagonali nel caso in cui sono presenti sia nanostrutture urchin-like che nanorods. Questo elettrodo è stato utilizzato per la realizzazione di un supercondensatore asimmetrico, che mostra prestazioni promettenti su un'ampia gamma di intervalli di energia e potenza. • L'Appendice riporta i nostri ulteriori studi sul WO3 effettuati durante questi tre anni; l'Appendice A1 riporta lo studio dell'elettrodeposizione per la sintesi di film amorfi di WO3. Viene approfondito il ruolo dei parametri di elettrodeposizione (quali il potenziale applicato e il tempo di deposizione) nell'omogeneità dei film ottenuti e viene proposto un modello del processo di nucleazione; l'Appendice A3 riporta gli studi preliminari sull'attività catalitica del WO3 esagonale per lo stoccaggio di gas H2 allo stato solido se utilizzato come catalizzatore di un biochar; le appendici A2, A4 e A5 riportano analisi supplementari condotte rispettivamente durante l'ottimizzazione della sintesi idrotermale, durante la modellizzazione del meccanismo di rilevamento del gas e durante lo studio del processo di storage di energia elettrochimica.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2022

Author dc:creator

• MINEO, GIACOMETTA

Contributors dc:contributor

• COMPAGNINI, Giuseppe Romano

• Tungsten oxide, Hydrothermal synthesis, gas sensing, Hydrogen Evolution Reaction, Pseudocapacitor
• Ossido di tungsteno, sintesi idrotermale, sensing di gas, produzione di energia pulita, pseudocapacitore

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/581584

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/581584