LASER-based synthesis of nanostructures for water electrolysis and sensing materials [Sintesi mediante ablazione in liquido da LASER pulsato di nanostrutture per elettrolisi di acqua e sensoristica]

Tra le tecniche di sintesi utilizzate per produrre materiali nanostrutturati, l’ ablazione laser in liquido (PLAL) è una tecnica promettente e con grandi potenzialità, non sempre pienamente espresse. Questa tecnica si basa sull’interazione tra un LASER e un target solido immerso in un liquido: l’interazione tra i tre elementi conferisce alla tecnica versatilità nella sintesi di nanoparticelle (NPs). La prima parte della tesi mostra le principali caratteristiche del LASER, della natura del target e dell’ambiente liquido. La combinazione di questi elementi consente a questa tecnica di generare una vasta gamma di composti (metalli, ossidi metallici, carburi, ecc.) con diverse morfologie e composizioni. Le principali applicazioni delle nanostrutture ottenute mediante LASER sono brevemente riportate per fornire una panoramica sulla versatilità di questa tecnica nei diversi ambiti di ricerca. Dopo tale introduzione, il primo capitolo della tesi è dedicato alla sintesi di NPs a base di nichel e rame, sia in fase metallica che ossidi, in base al liquido d’ablazione. Nel caso dell’ablazione del nichel, viene discusso l’effetto dei parametri laser, come il tempo di ablazione e la densità di energia del LASER (cioè la fluence), sulle proprietà delle NPs ottenute. Successivamente, due solventi specifici, metanolo ed etanolo, vengono scelti per esplorare il ruolo del liquido nell’ossidazione della superficie o del bulk delle NPs. Le NPs di Ni/NiO, Ni, Cu e CuxO ottenute sono testate come elettrocatalizzatori per le reazioni di oxygen evolution (OER) e hydrogen evolution (HER) dell’elettrolisi dell’acqua in elettrolita alcalino. Gli elettrodi prodotti mostrano un’attività elettrocatalitica competitiva rispetto ai dati di letteratura, avendo come vantaggio una bassa quantità di catalizzatore (~ μg/cm2) sull’elettrodo di supporto scelto, e dunque un’alta attività elettrolitica intrinseca. Una classe interessante di materiali usati come elettrocatalizzatori è costituita dai carburi di metalli di transizione (TMCs). Alcune proprietà, infatti, sono simili a quelle dei metalli del gruppo del platino (PTMs). In questo lavoro di tesi, la PLAL si dimostra una tecnica adatta e sostenibile per la sintesi di NPs di carburo di molibdeno (MoxC) mediante ablazione di un target di molibdeno (sia commerciale che pellet ottenuta da polveri riciclate). Infatti, il processo di carburazione avviene grazie alle alte temperature e pressioni generate dall’interazione laser-materia e l’interazione del liquido. Dopo una profonda caratterizzazione dei materiali, le NPs di MoC/Mo2C prodotte sono testate come elettrocatalizzatori per HER in ambiente alcalino e le loro prestazioni sono confrontate con altri elettrocatalizzatori a base di MoC già riportati dalla comunità scientifica. L’ultimo capitolo di questa tesi è dedicato alla funzionalizzazione di Cu NPs durante la sintesi. In questo lavoro, l’acido glutammico (GA) è scelto come agente funzionalizzante, disperso nel solvente in cui avviene l’ablazione. L’uso del GA è tale da fornire nella superficie delle NPs i leganti necessari alla realizzazione di un sensore elettrochimico per l’alfa-sinucleina, una proteina la cui presenza è correlata alla patologia del morbo di Parkinson. Vengono descritti i passaggi che portano dalla sintesi delle Cu NPs -GA, alla realizzazione di un sensore elettrochimico specifico per l’alfa-sinucleina, discutendo le proprietà degli elettrodi di ITO PET + Cu GA NPs, e le relative variazioni delle proprietà elettrochimiche (come la resistenza al trasferimento di carica dell’elettrodo) dovute alla presenza della proteina. La quantità di NPs depositate sull’elettrodo è ottimizzata per ridurre il limite di rilevazione da 1 ng/mL a 10 pg/mL e migliorare la sensibilità dell’elettrodo. Infine, questa tesi descrive sia gli aspetti relativi all’ottimizzazione e alla variabilità della sintesi di NPs tramite PLAL e le applicazioni delle NPs prodotte in applicazione rilevanti, dimostrando come la PLAL sia una tecnica di sintesi di nanomateriali molto versatile e con ampie possibilità di applicazione dei materiali prodotti.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• IACONO, VALENTINA

Contributors dc:contributor

• MIRABELLA, SALVATORE

• laser ablation
• pulsed laser
• laser
• nanoparticle
• metal oxide
• carbide
• molybdenum carbide
• sensing
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• sensing elettrochimico
• biosensori
• sensoristica
• elettrochimica

Statement dc:rights

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

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/690849

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/690849