Eco-sustainable preparation of oxides and integration into renewable energy devices and sensors

This thesis explores the eco-sustainable preparation of metal oxides and their integration into renewable energy devices and sensors, contributing to the advancement of clean energy technologies and environmental monitoring. The study focuses on the synthesis, characterization, and application of Nickel Oxide-Gadolinium Doped Ceria (NiO-GDC) for solid oxide fuel cells (SOFCs), as well as Zinc Oxide (ZnO) for gas sensors, emphasizing sustainable fabrication approaches. For SOFCs, computational modeling using Ansys Fluent and PuMA software is conducted to analyze the gas transport, reaction kinetics, and thermal management, providing insights into improving fuel cell efficiency. Experimentally, nanostructured NiO-GDC anodes are fabricated using the vapor-liquid-solid (VLS) method, with precise control over key growth parameters. Advanced characterization techniques, such as SEM, XRD, Raman spectroscopy, and electrochemical analysis, validate the structural integrity and the potential of NiO-GDC NWs for enhancing SOFC performance. In the field of gas sensing, ZnO nanoporous thin films are integrated into floating-gate field-effect transistor (FGFET) structures for NO₂ detection. Silvaco-Atlas simulations demonstrate the superior sensitivity of FGFET sensors compared to traditional resistor-based sensors. The experimental fabrication process, involving sputtering deposition and thermal oxidation, confirms that the optimized ZnO-FGFET sensors exhibit higher sensitivity, faster response times, and excellent selectivity, even under varying humidity conditions. By integrating computational modeling with experimental validation, this research advances the development of efficient and sustainable SOFCs and gas sensors. The findings contribute to global efforts in clean energy production and environmental monitoring, demonstrating the potential of eco-friendly oxide-based materials in next-generation energy and sensing technologies.

Questa tesi esplora la preparazione ecosostenibile degli ossidi metallici e la loro integrazione in dispositivi per l’energia rinnovabile e sensori, contribuendo allo sviluppo di tecnologie per l’energia pulita e il monitoraggio ambientale. Lo studio si concentra sulla sintesi, caratterizzazione e applicazione dell’Ossido di Nichel-Ceria Drogata con Gadolino (NiO-GDC) per celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC) e dell’Ossido di Zinco (ZnO) per sensori di gas, con un’enfasi su approcci di fabbricazione sostenibili. Per le SOFC, la modellazione computazionale con Ansys Fluent e PuMA viene utilizzata per analizzare il trasporto dei gas, la cinetica di reazione e la gestione termica, fornendo indicazioni per migliorare l’efficienza delle celle a combustibile. Sperimentalmente, gli anodi nanostrutturati a base di NiO-GDC vengono fabbricati con il metodo vapor-liquid-solid (VLS), controllando con precisione i parametri chiave di crescita. Tecniche avanzate di caratterizzazione, tra cui SEM, XRD, spettroscopia Raman e analisi elettrochimiche, confermano l’integrità strutturale e il potenziale dei nanofili NiO-GDC per il miglioramento delle prestazioni delle SOFC. Nel campo della rilevazione dei gas, film sottili nanoporosi di ZnO vengono integrati in strutture di transistor a effetto di campo a gate flottante (FGFET) per la rilevazione di NO2. Le simulazioni con il software Silvaco-Atlas dimostrano la maggiore sensibilità dei sensori FGFET rispetto ai sensori resistivi tradizionali. Il processo sperimentale di fabbricazione, che prevede deposizione con magnetron sputtering e ossidazione termica, conferma che i sensori ZnO-FGFET ottimizzati presentano una sensibilità più elevata, tempi di risposta più rapidi ed eccellente selettività, anche in condizioni di umidità variabile. Integrando la modellazione computazionale con la validazione sperimentale, questa ricerca contribuisce allo sviluppo di SOFC e sensori di gas efficienti e sostenibili. I risultati supportano gli sforzi globali per la produzione di energia pulita e il monitoraggio ambientale, dimostrando il potenziale dei materiali ossidi ecocompatibili per le tecnologie energetiche e di rilevazione di nuova generazione.