ARCHITECTED MATERIALS FOR FUNCTIONAL PROPERTIES

This thesis investigates the influence of nanomaterial morphology and interfacial engineering on charge transfer dynamics in a heterostructure system. The study begins with a systematic evaluation of TiO₂ nanoparticles and nanotube arrays (TNTAs), revealing that anatase-phase TNTAs with an optimized height of 8 µm exhibit superior hydrogen evolution reaction (HER) activity, driven by enhanced charge transport pathways and suitable morphology. Subsequently, the role of surface chemistry in governing interfacial charge transfer was explored using CsPbBr₃ perovskite nanocrystals (PNCs) with controlled ligand chain lengths. Short-chain ligands facilitated more effective electron transfer to TiO₂ nanostructures, with nanotube arrays outperforming nanoparticle films in solid-state configurations. Mn-doped perovskites further highlighted the morphology-dependent quenching behaviour of TiO₂, though deeper insights into charge carrier dynamics require advanced spectroscopic techniques. Finally, CdTe/CdSe core–shell quantum dots were interfaced with TiO₂ morphologies, revealing contrasting behaviours between solution and thin-film phases. In solution, TiO₂ nanoparticles promoted stronger quenching, while in thin films, TNTAs enabled more efficient charge extraction and directional transport leading to efficient photocatalytic degradation of aqueous Rhodamine B dye. Collectively, this work demonstrates that fine-tuning nanomaterial morphology, phase, and surface chemistry is critical to optimizing charge transfer processes and photocatalytic activity. The insights gained may provide a pathway for designing high-performance, hybrid nanostructures for photocatalysis and other optoelectronic applications.

Questa tesi analizza l'influenza della morfologia dei nanomateriali e dell'ingegneria interfacciale sulla dinamica del trasferimento di carica in sistemi eterostrutturati. Lo studio inizia con una valutazione sistematica di nanoparticelle di TiO₂ e di array di nanotubi di TiO₂ (TNTAs), rivelando che i TNTAs in fase anatase con un'altezza ottimizzata di 8 µm mostrano un'attività superiore nella reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER), grazie a percorsi di trasporto di carica migliorati e a proprietà elettroniche favorevoli. Successivamente, è stato esplorato il ruolo della chimica superficiale nel controllo del trasferimento di carica interfacciale utilizzando nanocristalli di perovskite CsPbBr₃ (PNCs) con lunghezze di catena dei leganti controllate. I leganti a catena corta hanno facilitato un trasferimento elettronico più efficiente verso le nanostrutture di TiO₂, con gli array di nanotubi che hanno superato le pellicole di nanoparticelle nelle configurazioni allo stato solido. Le perovskiti drogati con Mn hanno ulteriormente evidenziato il comportamento di quenching dipendente dalla morfologia del TiO₂, sebbene approfondimenti più dettagliati sulla dinamica dei portatori di carica richiedano tecniche spettroscopiche avanzate. Infine, i quantum dots core–shell CdTe/CdSe sono stati interfaccati con morfologie di TiO₂, rivelando comportamenti contrastanti tra le fasi in soluzione e in film sottile. In soluzione, le nanoparticelle di TiO₂ hanno promosso un quenching più marcato, mentre nei film sottili, i TNTAs hanno consentito un'estrazione di carica più efficiente e un trasporto direzionale, portando a una degradazione fotocatalitica efficace del colorante Rhodamine B in soluzione acquosa. Complessivamente, questo lavoro dimostra che l'ottimizzazione della morfologia, della fase e della chimica superficiale dei nanomateriali è fondamentale per migliorare i processi di trasferimento di carica e l'attività fotocatalitica. Le conoscenze acquisite offrono una strada per la progettazione di nanostrutture ibride ad alte prestazioni per la generazione fotocatalitica di idrogeno e per applicazioni optoelettroniche correlate.