Descrizione del modulo "Fisica-chimica e biotecnologie per l'energia e l'ambiente (PM.P03.020.001)"

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  • Descrizione del modulo "Fisica-chimica e biotecnologie per l'energia e l'ambiente (PM.P03.020.001)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • I materiali idrurabili a base di grafene o di metalli leggeri (es. magnesio) sviluppati troveranno impiego principalmente nella realizzazione di nuovi serbatoi per veicoli ad idrogeno, grazie alle loro caratteristiche di basso peso specifico ed elevata capacità di immagazzinamento. I nanocompositi polimerici del grafene presentano ottime caratteristiche barriera ai gas che ne rendono possibile l'utilizzo nella fabbricazione di condotte e serbatoi per l'idrogeno. Il grafene supportato è potenzialmente utile nel campo della sensoristica (chemo-sensori, sensori di deformazione, sensori di temperatura, sensori di idrogeno) e in microelettronica per la fabbricazione di elettrodi trasparenti adatti alla sostituzione dell'ITO. I nanocompositi metallo-polimero e quelli semiconduttore-polimero si prestano a varie applicazioni tecnologiche tra cui: filtri ottici fotoconvertitori per la down-conversion dell'energia solare e per la tecnologia Cip-on-Board per i LED, materiali idrurabili, sensori plasmonici per l'idrogeno, ecc. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Materiali idrurabili di natura metallica e a base di grafene. I materiali a base metallica consistono in dispersioni polimeriche di nanopolveri di palladio ed altri metalli idrurabili (es. magnesio). Le nanopolveri metalliche si ottengono per riduzione di ioni metallici (con idrogeno, boroidruri, ecc.) e vengono successivamente introdotte in polimeri ad elevata permeabilità all'idrogeno gassoso. I nanocompositi idrurabili metallo-polimero sono prodotti anche per precipitazione in situ di fasi metalliche generate dalla decomposizione termica di precursori termolabili (es. complessi magnesio-antracene). I materiali idrurabili a base di grafene consistono in aerogeli di grafite nanocristallina attivata con cluster di palladio depositati sulla superficie. Vengono inoltre studiati ulteriori tipologie di materiali basati sul grafene e sue combinazioni con polimeri (in forma di dispersione e come deposito superficiale), impiegabili nell'ambito della tecnologia dell'idrogeno come materiali per storage o come sensori. Sono inoltre studiati filtri polimerici fotoconvertitori destinati ad aumentare l'efficienza delle celle fotovoltaiche al silicio. (literal)
Competenze
  • Le competenze disponibili riguardano: tecniche di sintesi di nanoparticelle metalliche e loro caratterizzazione morfologica-strutturale, preparazione di nanocompositi metallo-polimero, preparazione di grafene e suoi derivati (nanocompositi polimerici, grafene supportato su film polimerici, aerogeli di grafene), preparazione di nanoparticelle semiconduttive (solfuri metallici). In particolare, le tecniche di sintesi includono: la riduzione di ioni metallici con alcoli o polioli bollenti, la riduzione con idrogeno o altre specie chimiche (alchil-boroidruri), la cristallizzazione in fuso polimerico di fasi metalliche per decomposizione termica di sali termolabili (es. tiolati metallici, fluoroacetilacetonati, complessi di coordinazione, ecc.). In molti casi, queste tecniche prevedono il controllo di forma e di dimensione. La generazione di cluster metallici fluorescenti mediante reazioni di aggregazione molecolare spontanea. Per quanto riguarda la preparazione del grafene (single-layer, few-layers e GNP) sono disponibili: competenze sonochimiche per l'esfoliazione della grafite naturale e know-how relativi alla preparazione di colloidi ed aerogeli di grafene, grafene supportato, ecc. (literal)
Tecnologie
  • La modellazione della risonanza di plasma delle nanoparticelle metalliche e del grafene viene confrontata con gli spettri sperimentali al fine di verificare l'interpretazione microstrutturale ipotizzata. (literal)
Obiettivi
  • Preparazione di nuovi materiali e dispositivi per la tecnologia dell'idrogeno. In particolare, materiali idrurabili di elevata capacità e con cinetiche di assorbimento/rilascio adeguate in condizioni di temperatura e pressione non drastiche. Tali materiali saranno a basso peso specifico per applicazioni nel campo dei trasporti. I materiali consisteranno in dispersioni polimeriche di metalli idrurabili leggeri come il magnesio e in aerogeli di grafene modificato con palladio. Inoltre, sviluppo di compositi polimerici con proprietà barriera per la realizzazione di serbatoi e condotte per l'idrogeno e realizzazione di sensori elettrici per il rilevamento dell'idrogeno basati su grafene supportato. Sintesi e caratterizzazione di cluster fluorescenti per aggregazione molecolare di tiolati metallici d'oro e in lega oro/argento e di quantum-dot semiconduttivi (solfuri metallici). Sviluppo di nuovi schemi di sintesi per tiolati metallici di varia natura (es. eterociclici, tio-molecole di origine naturale, idrosolubili, liposolubili, ecc.) e caratterizzazione ottica delle loro dispersioni in resine termoindurenti o polimeri termoplastici di grado ottico. (literal)
Stato dell'arte
  • La tecnologia dell'idrogeno richiede per il suo sfruttamento nell'ambito dei trasporti la disponibilità di materiali per H-storage a basso peso specifico. Pertanto stanno riscontrando un interesse sempre crescente metalli leggeri come il magnesio e soprattutto materiali di natura carboniosa. Il grafene è una macromolecola planare dotata di un elevatissimo sviluppo superficiale (2600m2/g) ed in grado di addizionare idrogeno alle proprie insaturazioni, riducendosi a grafano. Per poter essere utilizzato come materiale per H-sorage il grafene richiede però la presenza sulla propria superficie di cluster di metalli cataliticamente attivi (es. palladio) per dissociare l'idrogeno molecolare (spillover). I materiali altamente spugnosi a base di grafene sono ottenibili dalla grafite minerale attraverso un processo sonochimico. Studi recenti lasciano intravedere vari utilizzi per il grafene nell'ambito della tecnologia dell'idrogeno tra cui in particolare: materiali barriera e sensori di idrogeno. Particolarmente promettente è poi il settore dei fluorofori nanostrutturati che hanno dimostrato di avere caratteristiche competitive (es. maggiore quantum-yield) rispetto ai fluorofori molecolari. (literal)
Tecniche di indagine
  • Le principali tecniche di indagine utilizzate sono le seguenti: spettroscopia ottica di emissione ed assorbimento (spettroscopia plasmonica), analisi elementare mediante spettroscopia a fluorescenza X, rifrattometria di film polimerici, analisi termica (DSC, TGA), misura di proprietà elettriche, diffrattometria a raggi X, spettroscopia infrarossa, microscopia digitale e tecniche di microscopia elettronica (SEM, TEM), analisi con microbilancia al quarzo. In particolare, la spettroscopia plasmonica è finalizzata a fornire informazioni microstrutturali sulle nanoparticelle (composizione, dimensione media, forma, aggregazione, ecc.), utilizzabili anche per lo studio della cinetica di crescita. Invece la spettroscopia di emissione fornisce le caratteristiche di fluorescenza (eccitazione e emissione) dei cluster molecolari ed informazioni strutturali per quantum-dot semiconduttivi (es. valore della band-gap, stati di superficie, ecc.). L'indagine ottica viene utilizzata anche nel caso del grafene (spessore dei depositi), dell'ossido di grafene, etc. L'analisi termica è principalmente finalizzata alla determinazione delle caratteristiche di termolisi dei precursori metallici studiati. (literal)
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