Molybdenum based nanostructures for energy production and storage [Nanostrutture a base di molibdeno per la produzione e lo stoccaggio di energia]

The climate change experienced in recent decades demands new solutions for energy production and storage. In this view, the conversion of recycled industrial waste into efficient nanocatalysts offers an attractive pathway toward renewable and sustainable technologies. Here, Mo-based industrial waste powders were transformed into three distinct nanostructured materials through cost-effective hydrothermal processes: MoO₃-nanobelts, MoS₂/MoO₃-nanostructures, and MoS₂-nanosheets. Phase and morphological characterizations were performed using Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy, X-Ray Diffraction, Raman Spectroscopy, UV-Vis Spectroscopy, X-Ray Photoelectron Spectroscopy, and X-Ray Absorption Spectroscopy. The pH-controlled hydrothermal processing of Mo-based industrial waste powder leads to pure orthorhombic MoO3 nanobelts (50-200 nm wide, 10 μm long) with promising Oxygen Evolution Reaction (OER) performances at 10 mA cm-2 with an overpotential of 324 mV and Tafel Slope of 45 mVdec-1 in 1M KOH electrolyte. Then, MoO3-nanobelts were sulfurized obtaining MoS2/MoO3 nanostructures through a hydrothermal process. Hydrogen Evolution Reaction (HER) measurements in 1M H2SO4 show a promising overpotential of 208 mV at 10 mA cm-2 and a Tafel slope of 94 mV dec-1. An overall water splitting cell was successfully assembled employing these materials, reaching a potential of 1.9 V. Electrochemical studies on MoO3-nanobelts in different alkaline electrolytes revealed distinct storage mechanisms. Capacitive and pseudocapacitive behaviours were evaluated in 1M KOH and 1M NH4OH, respectively, using Cyclic Voltammogram (CV), Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) analyses. Furthermore, MoS2-nanosheets synthesised from recycled materials outstanding supercapacitor performance in 1M (NH4)2SO4. They show a promising results reaching 1200 and 360 Fg-1 at 5 mVs-1 and 3Ag-1, respectively from CV and GCD measurements. A coin cell device was fabricated from MoS2-nanosheets, which works as a supercapacitor with promising also at higher current densities reaching 70 Fg-1 at 10 Ag-1. This work highlights the great potential of upcycling industrial waste into high-performance nanocatalysts for both energy production and storage. Thus, bridging waste management with sustainable energy applications.

I cambiamenti climatici osservati negli ultimi decenni richiedono nuove soluzioni per la produzione e lo stoccaggio dell’energia. In quest’ottica, la conversione di scarti industriali riciclati in nanocatalizzatori efficienti rappresenta una via promettente verso tecnologie rinnovabili e sostenibili. In questo lavoro, polveri di scarti industriali a base di molibdeno sono state trasformate in tre diversi materiali nanostrutturati tramite processi idrotermali a basso costo: nanobelt di MoO₃, nanostrutture MoS₂/MoO₃ e nanofogli di MoS₂. Le caratterizzazioni di fase e morfologia sono state effettuate mediante Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy, X-Ray Diffraction, Raman Spectroscopy, UV-Vis Spectroscopy, X-Ray Photoelectron Spectroscopy e X-Ray Absorption Spectroscopy. La sintesi idrotermale delle polveri di scarti industriali a base di Mo porta alla formazione di pure nanobelt ortorombiche di MoO₃ (larghi 50–200 nm e lunghi fino a 10 μm), controllando opportunamente il pH della soluzione precursore. Le nanostrutture sintetizzate mostrano prestazioni promettenti per la reazione di oxygen evolution reaction (OER), raggiungendo 10 mA cm⁻² con un sovrapotenziale di 324 mV e una pendenza di Tafel di 45 mV dec⁻¹ in elettrolita 1M KOH. Successivamente, le nanobelt di MoO₃ sono stati solforati tramite un processo idrotermale, ottenendo nanostrutture MoS₂/MoO₃. Le misure di reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER) in 1M H₂SO₄ mostrano un sovrapotenziale promettente di 208 mV a 10 mA cm⁻² e una pendenza di Tafel di 94 mV dec⁻¹. È stata inoltre assemblata con successo una cella per lo splitting dell’acqua impiegando questi materiali, raggiungendo un potenziale di 1,9 V. Gli studi elettrochimici sulle nanobelt di MoO₃ in diversi elettroliti alcalini hanno rivelato meccanismi di accumulo distinti. I comportamenti capacitivo e pseudocapacitivo sono stati valutati rispettivamente in 1M KOH e 1M NH₄OH tramite Cyclic Voltammetry (CV), Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) e Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Inoltre, i nanofogli di MoS₂ sintetizzati da materiali riciclati mostrano prestazioni eccezionali come supercapacitori in 1M (NH₄)₂SO₄. Essi raggiungono valori promettenti di 1200 e 360 F g⁻¹ rispettivamente a 5 mV s⁻¹ e 3 A g⁻¹, ottenuti da misure CV e GCD. Un dispositivo dimostrativo è stato assemblato utilizzando una struttura a coin cell, inserendo i nanofogli di MoS₂. Il dispostivo funziona come supercapacitore mostrando prestazioni valide anche ad alte densità di corrente, raggiungendo 70 F g⁻¹ a 10 A g⁻¹. Questo lavoro evidenzia il grande potenziale dell’upcycling degli scarti industriali per ottenere nanocatalizzatori ad alte prestazioni sia per la produzione che per l'immagazzinamento di energia, creando così un ponte tra gestione dei rifiuti e applicazioni energetiche sostenibili.