Development of nanostructured semiconductor devices for simultaneous remediation of pollutants and hydrogen production [Sviluppo di materiali semiconduttori nanostrutturati per la simultanea rimozione di inquinanti e produzione di idrogeno]

The growth in global population, the resulting pollution and the depletion of fossil fuels caused severe environmental and energy problems. It is therefore necessary to develop new and sustainable solutions to propose new materials and technologies capable of reducing pollution and producing green and alternative energy sources. Advanced oxidation processes (AOPs) for the mitigation of water pollution and hydrogen as an energy carrier have the potential to address these challenges. However, it is essential to enhance the efficiency of the processes with an overall sustainability including the economic impact. One potential solution is the photoelectrocatalysis, a process that employs the activation of a material through light and electrical inputs to increase the rate of the desired reactions. These include the photoelectrocatalytic degradation of organic contaminants in water and the production of hydrogen through the reduction of protons from water. However, catalysts utilized in this approach require continuous improvements, and the current general crisis of resources has highlighted the necessity to identify new efficient materials and to investigate different potential techniques to improve the performance of the used systems. This PhD project is focused on developing nanostructured semiconductor devices with the dual purpose of water remediation and H2 production. The project provides a combined photoelectrocatalytic approach to address environmental challenges, using a reactor with a Nafion membrane to generate pure hydrogen at the cathode and to degrade Rhodamine B dye at the anode. The progress achieved concerns, among others, the use of engineered titanium dioxide films, modified with phosphate and zirconium (IV) ions, to enhance material stability and performance. Several techniques, such as ToF-SIMS and GC-TCD, were utilised to monitor surface interactions and hydrogen production. The obtained promising results of this approach can be useful to promote sustainable and decarbonised processes.

La crescita della popolazione globale, l'inquinamento risultante e l'esaurimento dei combustibili fossili hanno causato gravi problemi ambientali ed energetici. È quindi necessario sviluppare nuove soluzioni sostenibili per proporre materiali e tecnologie in grado di ridurre l'inquinamento e produrre fonti di energia verdi e alternative. I processi di ossidazione avanzata (AOPs) per la mitigazione dell'inquinamento delle acque e l'idrogeno come vettore energetico hanno il potenziale per affrontare queste sfide. Tuttavia, è fondamentale migliorare l'efficienza di tali processi in un'ottica di sostenibilità complessiva, includendo anche l'impatto economico. Una possibile soluzione è la fotoelettrocatalisi, un processo che impiega l'attivazione di un materiale tramite luce e input elettrici per aumentare la velocità delle reazioni desiderate. Queste includono la degradazione fotoelettrocatalitica dei contaminanti organici nell'acqua e la produzione di idrogeno attraverso la riduzione dei protoni dall'acqua. Tuttavia, i catalizzatori utilizzati in questo approccio richiedono miglioramenti continui, e la crisi generale delle risorse attuale ha evidenziato la necessità di identificare nuovi materiali efficienti e di esplorare diverse tecniche potenziali per migliorare le prestazioni dei sistemi utilizzati. Questo progetto di dottorato si concentra sullo sviluppo di dispositivi semiconduttori nanostrutturati con il duplice scopo di rimozione di inquinanti dalle acque e produzione di idrogeno. Il progetto propone un approccio fotoelettrocatalitico combinato per affrontare le sfide ambientali, utilizzando un reattore con membrana Nafion per generare idrogeno puro al catodo e degradare il colorante Rodamina B all'anodo. I progressi ottenuti riguardano, tra l'altro, l'uso di film di TiO2 ingegnerizzati, modificati con ioni fosfato e zirconio (IV), per migliorarne la stabilità e le prestazioni. Sono state utilizzate diverse tecniche, come ToF-SIMS e GC-TCD, per monitorare le interazioni superficiali e la produzione di idrogeno. I risultati promettenti ottenuti da questo approccio possono essere utili per promuovere processi sostenibili.