NANOMATERIALS FOR ENERGY AND HEALTH

This thesis investigates the design of advanced photocatalytic nanomaterials for solar-driven hydrogen production and indoor air purification, highlighting the broad applicability of nanomaterials across scientific and technological sectors. Their tunable structural, electronic and surface properties enable functions ranging from energy conversion to environmental remediation and health. The first project develops an integrated biomass valorisation route for hydrogen generation from glycerol. A photothermal pretreatment with CeO₂@TiN nanocomposites converts glycerol into C₁-liquid hydrogen carriers (LHCs). Subsequently, a methanol solution used as a model LHC is reformed photocatalytically over Pt/TiN(ox) to produce hydrogen. Structural and electronic analyses reveal synergistic nanoscale interactions that sustain redox cycling and enable efficient solar-driven hydrogen generation. Building on the concept of nanoscale control over catalytic behaviour, the second project develops hybrid Pt- and Pd-based photocatalysts that combine single atoms and nanoparticles supported on ultrananosheets of carbon nitride (UNS). The study specifically investigates the synergistic interplay between SA and NP sites, demonstrating how this dual-site architecture enhances photocatalytic hydrogen evolution. The cooperative behaviour of isolated atoms and nanosized clusters improves charge separation, optimises active-site utilisation, and significantly boosts H₂ production efficiency while simultaneously reducing noble-metal consumption. The third project extends photocatalytic nanomaterials to indoor air purification through visible-light-active Pt/TiN(450 °C) catalysts for VOC removal. Controlled oxidation of TiN yields TiO₂ active under low irradiance, enabling mineralisation of methanol, ethanol, acetone and toluene. Platinum improves charge separation, and the materials show long-term stability and enhanced performance under humid conditions. Beyond these core studies, the thesis contributes to collaborative research in heterogeneous catalysis and nanomaterial-biological interfaces, including the characterisation of Ag/Al₂O₃ catalysts for plasma-assisted ammonia synthesis and the synthesis and optical characterisation of NAC-capped CdS quantum dots for transdermal permeation studies. Overall, this work demonstrates the wide application potential of nanomaterials, spanning hydrogen production, air purification, plasma catalysis and biological interactions of nanomaterials. It shows how rational nanoscale design can advance fundamental understanding and support technologies with significant environmental and societal impact.

Questa tesi esplora la progettazione di nanomateriali fotocatalitici avanzati per la produzione solare di idrogeno e la purificazione dell’aria indoor, evidenziando come la modulazione delle proprietà strutturali, elettroniche e superficiali su scala nanometrica abiliti applicazioni energetiche, ambientali e sanitarie. Il primo progetto sviluppa una strategia integrata di valorizzazione del glicerolo tramite pretrattamento fototermico con nanocompositi CeO₂@TiN, che convertono il glicerolo in vettori liquidi di idrogeno a una sola unità di carbonio. Una soluzione di metanolo, utilizzata come LHC modello, viene successivamente riformata in condizioni fotocatalitiche su Pt/TiN(ox). Le analisi strutturali ed elettroniche mostrano interazioni sinergiche a livello di interfaccia che sostengono cicli redox efficienti e una produzione di H₂ tramite energia solare. Il secondo progetto estende il controllo nanometrico del comportamento catalitico mediante fotocatalizzatori ibridi Pt/Pd su ultrananofogli di nitruro di carbonio, combinando singoli atomi e nanoparticelle. L’interazione cooperativa tra siti SA e NP migliora la separazione di carica, l’utilizzo dei siti attivi e l’efficienza globale di evoluzione dell’idrogeno, riducendo al contempo il fabbisogno di metalli nobili. Il terzo progetto applica nanomateriali visibile-attivi alla depurazione dell’aria indoor utilizzando catalizzatori Pt/TiN(450 °C). L’ossidazione controllata genera TiO₂ attivo a bassa irradianza, capace di mineralizzare diversi VOC (metanolo, etanolo, acetone, toluene). Il platino incrementa la separazione di carica e i materiali mostrano stabilità prolungata e prestazioni migliorate in presenza di umidità. La tesi include inoltre contributi alla catalisi eterogenea e alle interfacce nanomateriale-biologia, quali la caratterizzazione di catalizzatori Ag/Al₂O₃ per la sintesi di ammoniaca assistita al plasma e lo studio di nanoparticelle di CdS funzionalizzate con NAC per applicazioni di permeazione transdermica. Complessivamente, il lavoro dimostra l’ampio potenziale applicativo dei nanomateriali nella produzione di idrogeno, nella purificazione dell’aria, nella catalisi al plasma e nelle interazioni con sistemi biologici, evidenziando come una progettazione razionale su scala nanometrica possa sostenere innovazioni con rilevante impatto ambientale e sociale.