Nanoarchitectonics of Manganese, Cobalt, and Iron Oxides: From Design to Advanced Applications

La presente tesi di dottorato è dedicata alla progettazione e fabbricazione di nanomateriali multifunzionali a base di ossidi di manganese, cobalto e ferro applicando la strategia della “nanoarchitectonics”, un’area di crescente interesse nel campo della scienza dei nanomateriali. I materiali selezionati sono stati sintetizzati utilizzando tecniche da fase vapore, come la chemical vapor deposition (CVD), sia termica (t-CVD) che plasma enhanced (PE-CVD), e RF-sputtering, sia singolarmente che combinate in strategie di sintesi innovative. Le attività di ricerca svolte hanno coperto l’intero processo di fabbricazione del materiale, iniziando con la preparazione dei precursori molecolari, passando allo sviluppo e caratterizzazione chimico-fisica del materiale in oggetto, fino alla validazione funzionale dei sistemi ottenuti per applicazioni sostenibili nei settori dell’energia, della sicurezza e della tutela ambientale. L’attenzione è stata inizialmente dedicata alla sintesi e caratterizzazione di nuovi nanocompositi a base di MnOx quali piattaforme multifunzionali per: a) sensori di gas altamente sensibili e selettivi per la rivelazione di gas tossici ed infiammabili; b) materiali anodici per reazioni di ossidazione (evoluzione di ossigeno ed ossidazione di etanolo) nel campo della produzione sostenibile di energia. In tale contesto, è stata valutata l’influenza ed il ruolo del substrato, catalizzatore e co-catalizzatore (nanoparticelle di Au, Co3O4, Fe2O3, NiO) sulle prestazioni dei materiali in esame. In aggiunta, i materiali ottenuti sono stati impiegati con successo come anodi per l’evoluzione di ossigeno da acqua dolce e acqua di mare, così come per la reazione di ossidazione dell'etanolo, ottenendo promettenti risultati. Successivamente, la preparazione di nanomateriali a base di Co3O4 e Fe2O3 è stata effettuata a partire da nuovi precursori di cobalto e ferro caratterizzati da migliorate proprietà per applicazioni CVD. A tal riguardo, tali precursori sono stati utilizzati con successo per la crescita di nanomateriali a base di ossidi di cobalto e ferro tramite t-CVD e PE-CVD e funzionalizzati con opportuni ossidi metallici. I sistemi ottenuti sono stati testati come fotocatalizzatori per la decomposizione di NOx, e come materiali anodici per la reazione di evoluzione di ossigeno in soluzione acquosa alcalina. In tutti i casi, la combinazione della peculiare morfologia delle nanostrutture di ossidi metallici ed il potere infiltrante dello sputtering hanno consentito di ottenere un intimo contatto tra i vari componenti dei materiali sintetizzati e un’omogenea formazione di giunzioni metallo/ossido (giunzione Schottky) e ossido/ossido (eterogiunzioni). Tali caratteristiche si sono dimostrate di estrema importanza nel determinare e implementare le proprietà funzionali dei nanocompositi. I risultati ottenuti in questo lavoro di dottorato dimostrano che la preparazione di nanosistemi a base di ossidi di manganese, cobalto e ferro, sia come tali che in combinazione con altri materiali, con composizione e nano-organizzazione selezionata, rappresenta una valida risposta per affrontare le attuali sfide nell’ambito delle applicazioni high-tech. In particolare, gli approcci adottati che coinvolgono le tecniche di sintesi da fase vapore offrono la possibilità di un futuro ampliamento e commercializzazione dei materiali studiati, che rappresenta una delle sfide chiave per il loro sfruttamento tecnologico in dispositivi tecnologicamente avanzati.