Gruppo di ricerca in sintesi e caratterizzazione di materiali inorganici funzionali

Prof. Franca Morazzoni

Prof. Roberto Scotti

Dr. Massimiliano D’Arienzo, PhD

Dr.Laura Whaba, PhD student

Dr Maurizio Crippa, PhDstudent

Dr. Amre……., PhD University of Cairo

Perché i materiali organici sono più attraenti?

Strutture di due tipiche molecole liquido-cristalline

I tre tipi comuni di fasi liquido-cristalline

Fase nematica

Fase smettica

Fase colesterica

Perché è più immediato collegare struttura a funzionalità

La semicristallinità di una catena polimerica

Celle elementari di alcuni materiali ceramici

SiC

carburo di silicio

BN

BN cubico (borazone)

YBa2Cu3O7Nel caso di materiali inorganici bisogna risalire almeno al reticolo cristallino

Nell’ambito dei materiali inorganici, la forma delle molecole, quando

esistenti, non guida facilmente alla comprensione della funzionalità

Sceglieremo due casi di studio attivi presso il laboratorio:

Studio di materiali ossidici semiconduttori per sensori resistivi di gas tossici

Studio di materiali ossidici semiconduttori per fotocatalisi e fotoconversione di energia

Reazioni di superficie dell’ossido semiconduttore responsabili della risposta del sensore

Yamazoe Mechanism (Chemical Sensor

Technology Vol. 4, 1992, Elsevier

Difetti di ossigeno e loro determinazione mediante EPR

SnO2

VO

3200 3400 3600 3800

gauss

b

a

VO g = 1.890

3280 3330 3380 3430

g1=2.023 g2=2.005

g3=1.999

SnSn-O2-

F.Morazzoni et Al., J.Mater.Chem.,1997,7, 997-1002

Modalità di incrementare la reattività di superficie mediante modifica di morfologia

Sol-gel synthesis from alkoxide precursors Sol-gel assisted template synthesis (assembling properties)

5m

(a) (b)

(d)(c)

Latex spheres ( 220 or 350 nm)

in waterLatex

opal Impregnation with metal doped SnO2

precursorMetal doped SnO2

inverse opal

Sintesi sol-gel assistita da templante

Struttura di opale inverso formata da ponti nanocristallini e contatti attorno a sfere vuote.

Ru(Pt)-Doped SnO2 opale inverso: il drogaggio chimico con metallo nobile sensibilizza il materiale

Surface reactivity of semiconductor oxides for gas sensorsL

Sviluppi futuri della ricerca:

Modificare sia morfologicamente che chimicamente gli ossidi semiconduttori al fine di massimizzarne la interazione con i gas e la risposta elettrica.

Meccanismo di fotocatalisi basato su TiO2

[001]

[110]

[101]

[010]

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Morfologie cristalline ottenute per i differenti fotocatalizzatori a base di TiO2

Rutile displays elongated crystals with high aspect ratio (a,b,c)

Anatase displays small cubic crystals (d,e)

TEM (a, b, d, f) and HRTEM (c, e) images of : (a, b, c) pure rutile (d, e) pure anatase; (f) mixed anatase 48 wt% and rutile 52 wt% sample.

0

25

50

75

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Time (min)

TO

C n

orm

(%

)BlankS50 R=100%S22 A=100%S17 R=50%S38 R=61%S21 R=57%S18 R=20%

L’attività catalitica per la decomposizione ossidativa del fenolo è legata alla composizione di fase cristallina

3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550

e')

a')

a)

b)

c)

d)

H(Gauss)

e)

g\\Ti3+=1.9475

g Ti3+=1.9665

g\\O-[I-II]=2.0036

g O-[II]=2.0193

g O-[I]=2.0230

g\\Ti3+[A]=1.9615

g Ti3+[A]=1.9876

gain x 10

gyy

O2

-[I-II]=2.0078 gxxO

2

-[I-II]=1.9939

g O-[II]=2.0126

gzzO

2

-[II]=2.0221

g O-[I]=2.0166

gzzO

2

-[I]=2.0268

g\\ O-[I-II]=2.0020

EPR spectra of hydrothermal TiO2 samples recorded at 10 K after 20 minutes of UV irradiation. (a) pure rutile (HT5); (b) anatase 20 wt% and rutile 80 wt% (HT4); (c) anatase 50 wt% and rutile 50 wt% (HT3); (d) anatase 80 wt% and rutile 20 wt% (HT2); (e) pure anatase (HT1). (a’)and (e’) simulate (a) and (e) spectra, spectively.

L’attività catalitica dipende dalla velocità di ricombinazione elettrone buca: l’EPR consente di studiarla

Sviluppi futuri

Produrre nuovi materiali contenenti atomi differenti da Ti ed O, capaci di favorire l’intrappolamento delle cariche

Immobilizzare il catalizzatore su membrana porosa inorganica, salvaguardando la sua reattività superficiale