Crashing flatland: defective and hybrid 2D-materials for (Electro) catalysis

Questo progetto di dottorato è mirato alla scoperta di nuove strategie per lo sviluppo di materiali da utilizzare nei campi della Green Energy e della Green Chemistry ed è rivolto all’applicazione dei materiali 2D in particolare. Questa tesi è divisa in cinque capitoli principali dove presentiamo cinque sistemi esemplificativi in cui ci siamo focalizzati su diversi aspetti del design del materiale. Ogni capitolo comprende una sezione di introduzione e una di conclusione, in cui abbiamo provato ad andare nel dettaglio di ogni applicazione e della specifica strategia di design utilizzata. In ogni caso, all’inizio e alla fine della tesi, il lettore può trovare una sezione di Introduzione e una di Conclusione dove abbiamo provato a collocare gli obbiettivi e le sfide di questo lavoro in un contesto più ampio della scienza dei materiali e della catalisi/elettrocatalisi. Nei nostri studi nell’area della Green Energy, ci siamo focalizzati sull’utilizzo di materiali a base MoS2 per la riduzione dell’acqua così da ottenere le migliori performance possibile nella generazione di idrogeno in diverse condizioni. Abbiamo sviluppato diverse strategie per indurre il materiale originale ad adattarsi alla specifica applicazione. Nel Capitolo Due abbiamo investigato il design di strutture 3D di MoS2 drogato con diverse quantità di Ni, con lo scopo di attivare il MoS2 per Hydrogen Evolution Reaction (HER) in ambiente alcalino, che di solito ostacola la reazione. Abbiamo eseguito un’estensiva analisi strutturale per stabilire il ruolo di ogni tipo di sito attivo formato sul materiale nell’attività e nella cinetica della HER. Nel Capitolo Tre, abbiamo sviluppato un metodo di elettrodeposizione per preparare un ibrido MoS2/Ag2S amorfo usando DVD riciclati come supporto, rivelandosi un’ottima strada per ridare valore a un materiale di scarto. Dopo un’adeguata analisi per capire il tipo di materiale formato, MoS2/Ag2S/DVD è stato testato per la HER in ambiente acido. Nel Capitolo Quattro abbiamo preparato un ibrido ottimizzando una sintesi solvotermale di nanofogli di MoS2(1-x)Se2x su Grafene Ossido ridotto drogato-N (N-rGO). L’obiettivo era il controllo delle proprietà optoelettroniche del materiale, dato che la combinazione di MoS2(1-x)Se2x e N-rGO permette di formare nanogiunzione p-n, che inducono un aumento dell’attività HER sotto illuminazione. Abbiamo utilizzato differenti tecniche per provare quale fosse il miglior rapporto Se:S per ottimizzare sia la performance assoluta in HER sia l’incremento dovuto all’irradiamento. Riguardo all’area della Green Chemistry, abbiamo utilizzato il Grafene Acido (GA) come materiale di partenza e abbiamo sfruttato la sua funzionalizzazione superficiale uniforme per preparare materiali per catalisi eterogenea di diverse reazioni, comparandoli con il riferimento Grafene Ossido (GO), modificato con la stessa procedura. Nel Capitolo Cinque, abbiamo sintetizzato un catalizzatore eterogeneo attaccando unità di Ferrocene (Fc) a GA e GO. I risultanti derivati grafenici modificati con Fc sono stati testati come catalizzatori eterogenei per l’inserimento di sali di diazonio aromatici in substrati arenici. I test hanno rivelato una forte incidenza del supporto, attribuibile alle proprietà intrinseche del GA. Nel Capitolo Sei, abbiamo cresciuto nanoparticelle di Pd sul GA per preparare un catalizzatore per la reazione di cross coupling Suzuki-Miyaura. Abbiamo studiato gli effetti della chimica superficiale sul processo di formazione delle nanoparticelle e sulla conseguente capacità di controllare la taglia. I catalizzatori sono stati testati nella Suzuki-Miyaura in condizioni green e abbiamo potuto evidenziare l’influenza della taglia delle nanoparticelle sull’attività. In aggiunta, abbiamo studiato gli stessi catalizzatori anche per la reazione di homocoupling di acidi boronici, la quale può fornire simili prodotti finali, ma con un migliore economia atomica.