Decorazione di nanostrutture con particelle metalliche

The design, fabrication and application of nanostructures or nanomaterials cannot leave aside the fundamental understanding of the relationships between physical properties or phenomena and materials size. On nanometer scale, materials and structures possess new physical properties and exhibit new physical phenomena. Some of these properties are already known (for example, band gaps of semiconductors can be tuned by varying materials size). There may be many more properties not yet known, allowing further advancement in technology. Only when the desired size, morphology and chemical composition are obtained is possible to investigate the eventual new physical properties and applications of nanomaterials and nanostructures. It was also shown that decorating materials with other nanostructures enormously enhances the properties of the nanomaterial. Heterostructures consisting of nanostructures distributed on the surface of a substrate could potentially display not only unique properties of nanostructures, but also additional novel functionalities and properties due to the interaction between them. The aim of this thesis was the controlled synthesis of mono- and bi-metallic nanoparticles for application in sensing and energy production. After an introductive chapter, the synthesis and characterization of mono- and bi- metallic nanoparticles with different solution-based techniques are presented. The effect of decoration of semiconductor nanostructures are then investigated. We focused our attention on the emission properties of Au nanoparticle decorated ZnO nanorods using photoluminescence and cathodoluminescence techniques. The effect of decoration of NiO microflowers with ultra-low amount of Pt nanoparticles on water splitting performance was enlightened and modeled finding high-performance all-Ni electrodes for overall water splitting. Finally, the decoration of Ni-based nanostructures with mono and bimetallic nanoparticle of Au and Pd was elucidated through a set of electrochemical measurements supported by multiphysics simulation. The catalytic activity of such decorates systems were tested in the sensing of glucose and hydrogen peroxide.

Il design, la fabbricazione e l'applicazione di nanostrutture o nanomateriali non possono prescindere dalla comprensione fondamentale delle relazioni tra proprietà fisiche o fenomeni e dimensioni dei materiali. Su scala nanometrica, i materiali e le strutture possiedono nuove proprietà fisiche e mostrano nuovi fenomeni fisici. Alcune di queste proprietà sono già note (ad esempio, le bandgap dei semiconduttori possono essere regolate variando le dimensioni dei materiali). Potrebbero esserci molte altre proprietà non ancora note, che consentono ulteriori progressi tecnologici. Solo quando si ottengono le dimensioni, la morfologia e la composizione chimica desiderate è possibile studiare le eventuali nuove proprietà fisiche e applicazioni di nanomateriali e nanostrutture. È stato inoltre dimostrato che la decorazione di materiali con altre nanostrutture migliora enormemente le proprietà del nanomateriale. Le eterostrutture costituite da nanostrutture distribuite sulla superficie di un substrato potrebbero potenzialmente mostrare non solo le proprietà uniche delle nanostrutture, ma anche nuove funzionalità e proprietà aggiuntive dovute all'interazione tra di esse. Lo scopo di questa tesi è la sintesi controllata di nanoparticelle mono- e bi-metalliche per applicazioni nel sensing e nella produzione di energia. Dopo un capitolo introduttivo, vengono presentate la sintesi e la caratterizzazione di nanoparticelle mono- e bi-metalliche con diverse tecniche basate su soluzioni. Viene quindi studiato l'effetto della decorazione di semiconduttori nanostrutturati. Abbiamo focalizzato la nostra attenzione sulle proprietà di emissione di nanorods di ZnO decorati con nanoparticelle di Au utilizzando tecniche di fotoluminescenza e catodoluminescenza. L'effetto della decorazione di microfiori NiO con una quantità estremamente bassa di nanoparticelle di Pt sulle prestazioni di water splitting è stato elucidato e modellato trovando elettrodi interamente Ni ad alte prestazioni per la scissione complessiva dell'acqua. Infine, la decorazione di nanostrutture a base di Ni con nanoparticelle mono- e bi-metalliche di Au e Pd è stata studiata attraverso una serie di misurazioni elettrochimiche supportate da simulazioni multifisicche. L'attività catalitica di tali sistemi decorati è stata testata nella rilevazione del glucosio e del perossido di idrogeno.