The increase of the population and the fossil fuels depletion led to a dramatic environmental and energetic crisis. New and sustainable solutions are therefore necessary to find new materials and technologies capable of reducing pollution and producing green and alternative energy sources. Advanced Oxidation Processes (AOPs) for the abatement of water pollution and hydrogen as energy vector can be the answers to these problems, but it is necessary to increase the efficiency of the involved processes maintaining a low economic impact. A well-fitting solution can be the photocatalysis, thanks to the photocatalytic degradation of organic water contaminants and hydrogen production by water splitting. However, the photocatalysts need continuous improvement, and the general post pandemic crisis led to the necessity to find new efficient materials. This thesis reports some key studies on the photocatalytic behaviour of CeO2, proposed as an uncommon photocatalyst for the degradation of persistent aqueous pesticides, involving also Fenton like and Photo Fenton like processes. The Ce3+/Ce4+ alternance in the surface of this catalyst played a key role in the catalytic activity for the degradation of a powerful and persistent insecticide (Imidacloprid). The modification of the ceria with the tungsten trioxide gives to this material an important amount of defectivity, allowing to obtain a more efficient material for the degradation of a strong fungicide (2-phenylphenol). The same CeO2/WO3 composite was originally modified with a pulsed laser in aqueous environment achieving a good photocatalytic activity in the solar H2 production through photoreforming of ethanol. Moreover, a deep study on the photocatalytic reduction of graphene oxide was carried out, in order to evaluate how this material can enhance the performance of the TiO2 and CeO2. This fascinating one-pot preparation gave good results, in terms of degradation of a persistent herbicide (2,4-Dichlorophenoxyacetic acid) and in the H2 production by photoreforming of glycerol. The possibility to synthetize performing photocatalysts with a simple replicable preparation opens the possibility to new and interesting industrial ways for the scale up of this fascinating process for the graphene oxide reduction. The aim of this thesis is to propose some innovative ideas in order to employ the CeO2 as an alternative to the TiO2, and at the same time to study as the rGO can be helpful in the improvement of their activity. The thesis is structured in nine different chapters. Specifically, in Chapter 1 all the fundamental aspects discussed in the thesis, with particular focus on the processes and the materials are introduced. Chapter 2 deepens the aims and phases of the works presented in the following chapters. From Chapter 3 to Chapter 8 six different works are presented, focusing on the various photocatalytic applications. Finally, Chapter 9 gives some general conclusions relative to this dissertation.

L'aumento della popolazione e l'esaurimento dei combustibili fossili hanno portato a una drammatica crisi ambientale ed energetica. Sono quindi necessarie soluzioni nuove e sostenibili per trovare nuovi materiali e tecnologie in grado di ridurre l'inquinamento e produrre fonti energetiche verdi e alternative. I Processi di Ossidazione Avanzata (AOPs) per l'abbattimento dell'inquinamento delle acque e l'idrogeno come vettore energetico possono essere la risposta a questi problemi, ma è necessario aumentare l'efficienza dei processi coinvolti mantenendo un basso impatto economico. Una soluzione adatta può essere la fotocatalisi, grazie alla degradazione fotocatalitica dei contaminanti organici dell'acqua e alla produzione di idrogeno per scissione dell'acqua. Tuttavia, i fotocatalizzatori necessitano di continui miglioramenti e la crisi generale post pandemia ha portato alla necessità di trovare nuovi materiali efficienti. Questa tesi riporta alcuni studi chiave sul comportamento fotocatalitico del CeO2, proposto come fotocatalizzatore non comune per la degradazione di pesticidi acquosi persistenti, coinvolgendo anche processi simili a Fenton e Photo Fenton. L'alternanza Ce3+/Ce4+ sulla superficie di questo catalizzatore ha giocato un ruolo chiave nell'attività catalitica per la degradazione di un potente e persistente insetticida (imidacloprid). La modifica della ceria con il triossido di tungsteno conferisce a questo materiale un'importante quantità di difettosità, permettendo di ottenere un materiale più efficiente per la degradazione di un forte fungicida (2-fenilfenolo). Lo stesso composito CeO2/WO3 è stato originariamente modificato con un laser pulsato in ambiente acquoso ottenendo una buona attività fotocatalitica nella produzione di H2 solare attraverso il fotoreforming dell'etanolo. Inoltre, è stato condotto uno studio approfondito sulla riduzione fotocatalitica dell'ossido di grafene, al fine di valutare come questo materiale possa migliorare le prestazioni del TiO2 e del CeO2. Questa affascinante preparazione one-pot ha dato buoni risultati, in termini di degradazione di un erbicida persistente (acido 2,4-diclorofenossiacetico) e nella produzione di H2 per fotoreforming del glicerolo. La possibilità di sintetizzare fotocatalizzatori performanti con una semplice preparazione replicabile apre la possibilità a nuove e interessanti vie industriali per lo scale up di questo affascinante processo per la riduzione dell'ossido di grafene. Lo scopo di questa tesi è proporre alcune idee innovative per impiegare il CeO2 in alternativa al TiO2, e allo stesso tempo studiare come le rGO possano essere utili nel miglioramento della loro attività. La tesi è strutturata in nove diversi capitoli. In particolare, nel Capitolo 1 vengono introdotti tutti gli aspetti fondamentali discussi nella tesi, con particolare attenzione ai processi e ai materiali. Il capitolo 2 approfondisce le finalità e le fasi dei lavori presentati nei capitoli successivi. Dal capitolo 3 al capitolo 8 vengono presentati sei diversi lavori, incentrati sulle varie applicazioni fotocatalitiche. Infine, il capitolo 9 fornisce alcune conclusioni generali relative a questa dissertazione.

Sistemi di TiO2 e CeO2 e le loro modifiche con ossido di grafene ridotto per applicazioni fotocatalitiche / Balsamo, STEFANO ANDREA. - (2023 Apr 27).

Sistemi di TiO2 e CeO2 e le loro modifiche con ossido di grafene ridotto per applicazioni fotocatalitiche

BALSAMO, STEFANO ANDREA
2023-04-27

Abstract

The increase of the population and the fossil fuels depletion led to a dramatic environmental and energetic crisis. New and sustainable solutions are therefore necessary to find new materials and technologies capable of reducing pollution and producing green and alternative energy sources. Advanced Oxidation Processes (AOPs) for the abatement of water pollution and hydrogen as energy vector can be the answers to these problems, but it is necessary to increase the efficiency of the involved processes maintaining a low economic impact. A well-fitting solution can be the photocatalysis, thanks to the photocatalytic degradation of organic water contaminants and hydrogen production by water splitting. However, the photocatalysts need continuous improvement, and the general post pandemic crisis led to the necessity to find new efficient materials. This thesis reports some key studies on the photocatalytic behaviour of CeO2, proposed as an uncommon photocatalyst for the degradation of persistent aqueous pesticides, involving also Fenton like and Photo Fenton like processes. The Ce3+/Ce4+ alternance in the surface of this catalyst played a key role in the catalytic activity for the degradation of a powerful and persistent insecticide (Imidacloprid). The modification of the ceria with the tungsten trioxide gives to this material an important amount of defectivity, allowing to obtain a more efficient material for the degradation of a strong fungicide (2-phenylphenol). The same CeO2/WO3 composite was originally modified with a pulsed laser in aqueous environment achieving a good photocatalytic activity in the solar H2 production through photoreforming of ethanol. Moreover, a deep study on the photocatalytic reduction of graphene oxide was carried out, in order to evaluate how this material can enhance the performance of the TiO2 and CeO2. This fascinating one-pot preparation gave good results, in terms of degradation of a persistent herbicide (2,4-Dichlorophenoxyacetic acid) and in the H2 production by photoreforming of glycerol. The possibility to synthetize performing photocatalysts with a simple replicable preparation opens the possibility to new and interesting industrial ways for the scale up of this fascinating process for the graphene oxide reduction. The aim of this thesis is to propose some innovative ideas in order to employ the CeO2 as an alternative to the TiO2, and at the same time to study as the rGO can be helpful in the improvement of their activity. The thesis is structured in nine different chapters. Specifically, in Chapter 1 all the fundamental aspects discussed in the thesis, with particular focus on the processes and the materials are introduced. Chapter 2 deepens the aims and phases of the works presented in the following chapters. From Chapter 3 to Chapter 8 six different works are presented, focusing on the various photocatalytic applications. Finally, Chapter 9 gives some general conclusions relative to this dissertation.
27-apr-2023
L'aumento della popolazione e l'esaurimento dei combustibili fossili hanno portato a una drammatica crisi ambientale ed energetica. Sono quindi necessarie soluzioni nuove e sostenibili per trovare nuovi materiali e tecnologie in grado di ridurre l'inquinamento e produrre fonti energetiche verdi e alternative. I Processi di Ossidazione Avanzata (AOPs) per l'abbattimento dell'inquinamento delle acque e l'idrogeno come vettore energetico possono essere la risposta a questi problemi, ma è necessario aumentare l'efficienza dei processi coinvolti mantenendo un basso impatto economico. Una soluzione adatta può essere la fotocatalisi, grazie alla degradazione fotocatalitica dei contaminanti organici dell'acqua e alla produzione di idrogeno per scissione dell'acqua. Tuttavia, i fotocatalizzatori necessitano di continui miglioramenti e la crisi generale post pandemia ha portato alla necessità di trovare nuovi materiali efficienti. Questa tesi riporta alcuni studi chiave sul comportamento fotocatalitico del CeO2, proposto come fotocatalizzatore non comune per la degradazione di pesticidi acquosi persistenti, coinvolgendo anche processi simili a Fenton e Photo Fenton. L'alternanza Ce3+/Ce4+ sulla superficie di questo catalizzatore ha giocato un ruolo chiave nell'attività catalitica per la degradazione di un potente e persistente insetticida (imidacloprid). La modifica della ceria con il triossido di tungsteno conferisce a questo materiale un'importante quantità di difettosità, permettendo di ottenere un materiale più efficiente per la degradazione di un forte fungicida (2-fenilfenolo). Lo stesso composito CeO2/WO3 è stato originariamente modificato con un laser pulsato in ambiente acquoso ottenendo una buona attività fotocatalitica nella produzione di H2 solare attraverso il fotoreforming dell'etanolo. Inoltre, è stato condotto uno studio approfondito sulla riduzione fotocatalitica dell'ossido di grafene, al fine di valutare come questo materiale possa migliorare le prestazioni del TiO2 e del CeO2. Questa affascinante preparazione one-pot ha dato buoni risultati, in termini di degradazione di un erbicida persistente (acido 2,4-diclorofenossiacetico) e nella produzione di H2 per fotoreforming del glicerolo. La possibilità di sintetizzare fotocatalizzatori performanti con una semplice preparazione replicabile apre la possibilità a nuove e interessanti vie industriali per lo scale up di questo affascinante processo per la riduzione dell'ossido di grafene. Lo scopo di questa tesi è proporre alcune idee innovative per impiegare il CeO2 in alternativa al TiO2, e allo stesso tempo studiare come le rGO possano essere utili nel miglioramento della loro attività. La tesi è strutturata in nove diversi capitoli. In particolare, nel Capitolo 1 vengono introdotti tutti gli aspetti fondamentali discussi nella tesi, con particolare attenzione ai processi e ai materiali. Il capitolo 2 approfondisce le finalità e le fasi dei lavori presentati nei capitoli successivi. Dal capitolo 3 al capitolo 8 vengono presentati sei diversi lavori, incentrati sulle varie applicazioni fotocatalitiche. Infine, il capitolo 9 fornisce alcune conclusioni generali relative a questa dissertazione.
Photocatalysis, Titanium dioxide, Cerium dioxide, graphene oxide, Hydrogen
fotocatalisi, Biossido di titanio, Biossido di cerio, ossido di grafene, idrogeno
Sistemi di TiO2 e CeO2 e le loro modifiche con ossido di grafene ridotto per applicazioni fotocatalitiche / Balsamo, STEFANO ANDREA. - (2023 Apr 27).
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.11769/582180
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