Sintesi di nanostelle di Ossido di Zinco per applicazioni in campo energetico e biosensoristico
Le nanostrutture vengono esaltate come materiali innovativi progettati su scala nanometrica. L'interesse crescente nei confronti dei nanomateriali deriva dal riconoscimento che le loro dimensioni su scala nanometrica possono modificare significativamente le proprietà dei materiali. L'adattabilità dei nanomateriali in diverse applicazioni deriva dalle loro proprietà fisiche e chimiche dipendenti dalla forma, rendendoli incredibilmente versatili. Tra i nanomateriali, gli ossidi metallici offrono una miriade di vantaggi, tra cui la manipolazione della morfologia e le proprietà migliorate. Tra di essi, l'Ossido di Zinco (ZnO), un semiconduttore di tipo n con una band gap diretta di circa 3,3 eV e una stabilità dell'eccitone di 60 meV, si distingue per la sua eccezionale versatilità, stabilità eccezionale e un'ampia gamma di applicazioni che vanno dalle creme solari al sensing. L’ossido di zinco è stato scoperto nel 2000 a.C., riconosciuto dai Romani come "Cadmia" e usato come pigmento bianco fin dal XVIII secolo; mostra una notevole capacità di essere strutturato su scala nanometrica in una moltitudine di morfologie, evidenziando le sue affascinanti proprietà. I suoi diversi metodi di sintesi consentono la creazione di nanorods, nanowires, nanoparticles e molte altre strutture, rendendolo un sistema ideale in un ampio spettro di campi. Tra i metodi di sintesi dell'ossido di zinco, l'approccio al bagno chimico si distingue per una serie di vantaggi. È economico, presenta una configurazione semplice e funziona a condizioni quasi ambiente. Inoltre, modificando parametri come temperatura di sintesi, concentrazione di reagenti o sequenze di miscelazione, questo metodo crea nanostrutture con forme completamente diverse e quindi proprietà uniche. In questa tesi, l'attenzione è rivolta alle nanostrutture 2D a base di ZnO, ottenute tramite un approccio al bagno chimico, candidati idonei per molte applicazioni grazie alla loro morfologia unica e all'ampio rapporto superficie/volume. Le nanostrutture sono state studiate in dettaglio e ottimizzate per applicazioni come elettrodi nel water splitting , super capacitori e biosensori, evidenziando prestazioni di spicco. Viene condotta un'analisi accurata sulla sequenza di miscelazione dei reagenti e sulla concentrazione dei reagenti, portando all'ottimizzazione della procedura di sintesi per ottenere nanostrutture a stella ZnO-ZnOHF ben definite. Trattamenti termici post-sintesi consentono di modificare la struttura cristallina delle nanostelle di ZnO, ottenendo quindi nanostelle quasi pure di ZnO esagonale. L'eterostruttura cristallina ZnOHF-ZnO consente di migliorare l'attività elettrochimica. Le nanostelle ZnO-ZnOHF sono studiati per la produzione di H2, lo stoccaggio di energia e la biosensibilità. La tesi è organizzata nel seguente modo: • il primo capitolo serve come introduzione sia all'ossido di zinco che alla nanotecnologia. Approfondisce le proprietà fondamentali del ZnO e ne evidenzia le principali applicazioni. Esplora inoltre i progressi attribuiti alla nanotecnologia, presentando varie nanostrutture di ZnO, ciascuna con proprietà distinte; • il secondo capitolo indaga attentamente la procedura di sintesi a bagno chimico per ottenere nanostrutture di ZnO. Viene condotta un'analisi accurata del ruolo dei reagenti, con lo scopo di definire un approccio preciso per ottenere una precisa morfologia di nanostrutture. Vengono presi in considerazione l'ordine di miscelazione dei reagenti, la concentrazione e la durata della sintesi come parametri di sintesi. Viene riportata l'ottimizzazione di una procedura per ottenere rese elevate di nanostelle di ZnO-ZnOHF ben definite, insieme a una completa caratterizzazione delle nanostelle prima e dopo il processo di annealing; • il terzo capitolo presenta la decorazione efficace delle nanostelle con una scarsa quantità di nanoparticelle di platino. Le nanostelle decorate con Pt vengono quindi utilizzate come supporto per creare un elettrodo per la produzione elettrochimica di idrogeno. Lo studio esamina come le nanoparticelle di Pt influenzino le caratteristiche catalitiche elettrochimiche. Degno di nota, le nanostelle non decorate sono attive come catalizzatori per la produzione di ossigeno. Viene poi riportato una cella di water splitting in ambiente alcalino con prestazioni competitive; • il quarto capitolo riporta uno studio delle nanostelle di ZnO per l'applicazione di stoccaggio di energia a pH neutro in funzione del tempo di crescita e della procedura di annealing. È stata condotta un'indagine accurata sul contributo esclusivo delle nanostelle, rispetto al contributo esclusivo del substrato. Viene dimostrato un comportamento pseudocapacitivo delle nanostelle cresciute per 10 minuti. • il quinto capitolo riporta la realizzazione di dispositivi sensoriali flessibili e a basso costo utilizzando nanostelle decorati con nanoparticelle di oro per la determinazione dell'α-sinucleina nel plasma umano. Le prestazioni del sensore sono condotte utilizzando la coppia redox Fe(II)(CN)64−/Fe(III)(CN)63− come sonda e l'interazione sensore-sonda viene presentata e studiata attentamente. Il sensore dimostra di rispondere linearmente alla concentrazione di α-sinucleina in un intervallo adatto per campioni di plasma, con alta stabilità e riproducibilità. Per verificarne l'affidabilità, il biosensore è stato testato con plasma di soggetti sani e affetti da PD (malattia di Parkinson).
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