Nanomaterials and polymeric nanocomposites for photocatalytic applications

In the last years the use of nanomaterials and nanocomposites has been considered more and more promising in providing new solutions for two of the main global sustainability challenges facing the world: sustainable energy production and water purification. In particular, photocatalytic processes involving nanomaterials and nanocomposites have recently been proposed as an efficient, green and sustainable approach to solve such problems. In the 21st century, there is a constant demand for energy to satisfy the needs of current lifestyles. At the present stage, our society still relies on non-renewable sources, but global warming and pollution deriving from the use of fossil fuels point out the need of substituting them with orders of magnitude cleaner and renewable energy systems. Among all the alternative energy sources including solar power, wind, biomass, biofuels, geothermal and hydrogen, the last one results the most promising one. Photocatalytic water splitting represents one of the most appealing approaches for hydrogen production due to its large-scale potential application and the fact that it offers a clean and environmentally friendly route for the production of hydrogen. Anyway, it represents a comprehensive scientific fundamental challenge. A key challenge remains the development of systems that employ abundant, non-toxic and inexpensive materials to dissociate water efficiently using sunlight. Therefore, one scope of this dissertation is the modification of existing semiconductors (titanium dioxide and bismuth oxide) with the aim of increasing their efficiency in particular under solar light. In addition, this thesis work aims to propose, prepare and investigate new nanomaterials and/or nanocomposites able to remove organic pollutants with low cost, low energy consumption and low environmental impact. Considering the complexity of water problem, the proposed materials allow to combine multiple approaches, as photocatalysis, nanotechnology and membrane technology, for appropriate solutions according to the specific problem and the natural and economic resources of the developing countries. In particular, among nanomaterials graphene oxide, titanium dioxide and bismuth oxide have been investigated in photocatalytic processes for water treatment and hydrogen production confirming them as good candidate for these applications. Laser irradiation processes are proposed as a new approach with respect to conventional methods to selectively tune the properties of above mentioned materials, conferring them new functionalities (i.e. antibacterial properties) or modifying their surface properties for specific applications (i.e. visible light photocatalysis). The preparation of hybrid polymeric nanocomposites is confirmed being more efficient and clean materials for water purification. These results should be considered as a first step in developing efficient membranes with photocatalytic activity and filtration properties for removal of various pollutants and ions from water. Besides the photocatalytic activity, these membranes also have high proton conductivity suggesting their use as polymeric electrolyte in fuel cells or photoelectrochemical solar cells for hydrogen production.

Negli ultimi anni, le tecnologie basate sull'uso dei nanomateriali e dei nanocompositi si sono mostrate le più promettenti per la risoluzione di due dei principali problemi del pianeta, ovvero la produzione di energia da fonti rinnovabili e sostenibili e la purificazione dell'acqua. In particolare, i processi fotocatalitici basati sull'uso di nanomateriali e nanocompositi sono stati recentemente proposti e investigati come approccio efficiente, green e sostenibile per la risoluzione dei problemi di seguito indicati. Nel ventunesimo secolo la richiesta di energia necessaria a soddisfare il fabbisogno giornaliero è in costante aumento. Attualmente la principale fonte di energia è costituita dai combustibili fossili. Il surriscaldamento e l'inquinamento del pianeta derivanti dal loro utilizzo hanno recentemente evidenziato la necessità di sostituire i combustibili fossili con fonti di energia alternative più pulite e rinnovabili. Fra tutte le fonti energetiche alternative (eolico, solare, biomasse ecc..) la più promettente è costituita dall'idrogeno. Il water splitting fotocatalitico per la produzione di idrogeno è l approccio attualmente più studiato in quanto è green e applicabile su scala industriale; nonostante ciò, rappresenta una delle sfide più interessanti per la comunità scientifica. Il principale obiettivo è lo sviluppo di materiali non costosi e non tossici in grado di dissociare efficientemente l acqua in ossigeno e idrogeno utilizzano la luce solare. Pertanto, uno degli obiettivi prefissati in questo studio è la modifica di semiconduttori già noti (biossido di titanio e ossido di bismuto) al fine di aumentare le loro prestazioni fotocatalitiche nel visibile. Secondo obiettivo della tesi è stato quello di preparare, caratterizzare e testare nuovi nanomateriali e/o nanocompositi per la rimozione di contaminanti dall acqua e che siano a basso costo, basso consumo energetico e basso impatto ambientale rispetto alle metodologie attualmente usate. Considerando la complessità della matrice acqua, i materiali proposti permettono di combinare diversi approcci di purificazione (fotocatalisi, nanotecnologie e membrane polimeriche) per ottenere soluzioni quanto più specifiche rispetto al contaminante da rimuovere, alla matrice acquosa da trattare e alle condizioni e risorse socio-economiche del paese dove è presente il problema. I nanomateriali più promettenti per le applicazioni sopra citate sono i nanomateriali di carbonio, e in particolare l ossido di graphene, e gli ossidi semiconduttori fra cui l ossido di titanio e l ossido di bismuto. Tali materiali sono stati modificati mediante processo di irraggiamento laser; quest ultimo rappresenta un approccio innovativo, semplice, green e a basso costo rispetto ai classici metodi di modifica dei semiconduttori e/o di modifica dell ossido di grafene. L irraggiamento laser è stato quindi testato per indurre modifiche superficiali di tali materiali tali da conferire nuove proprietà (per esempio attività antibatterica per l ossido di grafene) o renderli ottimali per applicazioni specifiche (per esempio attività fotocatalitica nel visibile). Inoltre, un approccio ancora più efficiente per la purificazione delle acque è stato riscontrato nell utilizzo dei suddetti nanomateriali, non direttamente dispersi in acqua, ma dispersi in una matrice polimerica. Questi risultati costituiscono un primo passo per lo sviluppo di membrane efficienti per la rimozione mediante filtraggio e/o processo fotocatalitico di diversi ioni e contaminanti dall acqua. Inoltre, tali membrane sono caratterizzate da un alta conducibilità protonica tale da essere buone candidate come conduttori di protoni nelle celle a combustibile o nelle celle fotoelettrochimiche per la produzione di idrogeno a partire da acqua pura o contaminata.