Nanostructures are hailed as innovative materials engineered at a nanometer scale. The escalating interest in nanomaterials derives from their nanometer-scale dimensions, which can significantly modify and enhance material properties, thereby rendering them adaptable for a variety of applications. Among nanomaterials, metal oxides offer a myriad of advantages, including morphology manipulation and enhanced properties. Amid them, Zinc Oxide (ZnO), an n-type semiconductor with a direct band gap of about 3.3 eV and an exciton stability of 60 meV, stands out due to its abundance, no toxicity, exceptional versatility, outstanding stability, and diverse range of application spanning from sunscreens to semiconductors. ZnO was discovered in 2000 BC, recognized by the Romans as “Cadmia” and used as a white pigment since the 18th century. It displays a remarkable ability to be nanostructured into a multitude of morphologies, showcasing its fascinating properties. ZnO different synthesis methods enable the creation of nanorods, nanowires, nanoparticles, and many other structures, which makes it an ideal system across a spectrum of fields. Among zinc oxide synthesis methods, the chemical bath approach stands out with a host of advantages. It’s cost-effective, boasts a straightforward setup, and operates under near-ambient conditions. Moreover, by tweaking parameters like synthesis temperature, reagent concentration, or mixing sequences, this method crafts nanostructures with entirely distinct shapes and thus, unique properties. In this thesis, the attention is focused to ZnO-based 2D nanostructures, obtained through a chemical bath approach, suitable candidates for many applications thanks to their unique morphology and huge surface-to-volume ratio. Elevated to detailed study and optimization, these structures have been tailored for applications such as electrodes in water splitting, supercapacitors, and biosensors, showcasing exceptional performance. The thesis is organized as follows: • the opening chapter serves as an introduction to both ZnO and nanotechnology. It delves into the core properties of bulk and nanostructured ZnO and highlights its key applications. It also explores the advances attributed to nanotechnology, showcasing various ZnO nanostructures, each possessing distinct properties; • the second chapter investigates the chemical bath synthesis procedure for the obtainment of ZnO nanostructures. The synthesis is analyzed as a function of the reagent and their mixing order, concentration, and growth duration. The optimization of a procedure to obtain high yield and well-defined ZnO-ZnOHF nanostars, together with a full characterization of nanostars before and after the annealing process is reported. A cradle-to-gate LCA evaluation of the NS synthesis is performed to identify the critical areas in the synthesis process; • the third chapter presents the effective nanostar decoration with an ultralow amount of Platinum nanoparticles. These Pt-decorated nanostars are then used as support to create an electrode for electrochemical hydrogen production. The study examines how the Pt nanoparticles affect electrochemical catalytic characteristics. Worthy of notice, bare nanostars are active as catalysts for Oxygen production. An alkaline full cell electrolyzer with competitive performances is then reported; • the fourth chapter reports a study of ZnO nanostars for energy storage application at neutral pH as a function of the growth time and the annealing procedure. A careful investigation of the sole nanostar contribution, concerning the sole substrate contribute, was conducted. A pseudocapacitive behavior of nanostars grown for 10 minutes is demonstrated. The NSs-based electrode showed promising performances for supercapacitor application; • the fifth chapter reports the realization of a flexible and low-cost sensor device using gold-decorated nanostars for α-synuclein determination in human plasma. The sensor performances are conducted using the Fe(II)(CN)64−/Fe(III)(CN)63− redox couple as probe and the sensor-probe interaction is presented and meticulously studied. The sensor demonstrates to response linearly with the α-synuclein concentration in a range suitable for plasma samples, with high stability and reproducibility. To verify its reliability, the biosensor is tested with healthy, and PD-affected plasmas

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).

Sintesi di nanostelle di Ossido di Zinco per applicazioni in campo energetico e biosensoristico / DI MARI, GISELLA MARIA. - (2024 Jun 05).

Sintesi di nanostelle di Ossido di Zinco per applicazioni in campo energetico e biosensoristico

DI MARI, GISELLA MARIA
2024-06-05

Abstract

Nanostructures are hailed as innovative materials engineered at a nanometer scale. The escalating interest in nanomaterials derives from their nanometer-scale dimensions, which can significantly modify and enhance material properties, thereby rendering them adaptable for a variety of applications. Among nanomaterials, metal oxides offer a myriad of advantages, including morphology manipulation and enhanced properties. Amid them, Zinc Oxide (ZnO), an n-type semiconductor with a direct band gap of about 3.3 eV and an exciton stability of 60 meV, stands out due to its abundance, no toxicity, exceptional versatility, outstanding stability, and diverse range of application spanning from sunscreens to semiconductors. ZnO was discovered in 2000 BC, recognized by the Romans as “Cadmia” and used as a white pigment since the 18th century. It displays a remarkable ability to be nanostructured into a multitude of morphologies, showcasing its fascinating properties. ZnO different synthesis methods enable the creation of nanorods, nanowires, nanoparticles, and many other structures, which makes it an ideal system across a spectrum of fields. Among zinc oxide synthesis methods, the chemical bath approach stands out with a host of advantages. It’s cost-effective, boasts a straightforward setup, and operates under near-ambient conditions. Moreover, by tweaking parameters like synthesis temperature, reagent concentration, or mixing sequences, this method crafts nanostructures with entirely distinct shapes and thus, unique properties. In this thesis, the attention is focused to ZnO-based 2D nanostructures, obtained through a chemical bath approach, suitable candidates for many applications thanks to their unique morphology and huge surface-to-volume ratio. Elevated to detailed study and optimization, these structures have been tailored for applications such as electrodes in water splitting, supercapacitors, and biosensors, showcasing exceptional performance. The thesis is organized as follows: • the opening chapter serves as an introduction to both ZnO and nanotechnology. It delves into the core properties of bulk and nanostructured ZnO and highlights its key applications. It also explores the advances attributed to nanotechnology, showcasing various ZnO nanostructures, each possessing distinct properties; • the second chapter investigates the chemical bath synthesis procedure for the obtainment of ZnO nanostructures. The synthesis is analyzed as a function of the reagent and their mixing order, concentration, and growth duration. The optimization of a procedure to obtain high yield and well-defined ZnO-ZnOHF nanostars, together with a full characterization of nanostars before and after the annealing process is reported. A cradle-to-gate LCA evaluation of the NS synthesis is performed to identify the critical areas in the synthesis process; • the third chapter presents the effective nanostar decoration with an ultralow amount of Platinum nanoparticles. These Pt-decorated nanostars are then used as support to create an electrode for electrochemical hydrogen production. The study examines how the Pt nanoparticles affect electrochemical catalytic characteristics. Worthy of notice, bare nanostars are active as catalysts for Oxygen production. An alkaline full cell electrolyzer with competitive performances is then reported; • the fourth chapter reports a study of ZnO nanostars for energy storage application at neutral pH as a function of the growth time and the annealing procedure. A careful investigation of the sole nanostar contribution, concerning the sole substrate contribute, was conducted. A pseudocapacitive behavior of nanostars grown for 10 minutes is demonstrated. The NSs-based electrode showed promising performances for supercapacitor application; • the fifth chapter reports the realization of a flexible and low-cost sensor device using gold-decorated nanostars for α-synuclein determination in human plasma. The sensor performances are conducted using the Fe(II)(CN)64−/Fe(III)(CN)63− redox couple as probe and the sensor-probe interaction is presented and meticulously studied. The sensor demonstrates to response linearly with the α-synuclein concentration in a range suitable for plasma samples, with high stability and reproducibility. To verify its reliability, the biosensor is tested with healthy, and PD-affected plasmas
5-giu-2024
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).
Zinc Oxide; Chemical Bath Deposition; Nanostructures; Hydrogen Production; Energy Storage; Biosensors; Metal Decoration
Ossido di Zinco; Sintesi da Bagno Chimico; Nanostrutture; Produzione di Idrogeno; Stoccaggio di Energia; Biosensoristica; Decorazione Metallica
Sintesi di nanostelle di Ossido di Zinco per applicazioni in campo energetico e biosensoristico / DI MARI, GISELLA MARIA. - (2024 Jun 05).
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.11769/641474
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