Nanostructured Materials Based on ZnO for Cataltytic, Optical and Magnetic Applications

ZnO based materials, such as Zn1-xTMxO (TM = Mn, Co, Cu) nanopowders, were synthesised by a Sol gel route to investigate their properties in three fields: catalysis, optics and magnetism. These materials were characterised by complementary techniques such as X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and UV-Vis Spectroscopy. The fine structure and electronic properties of these nanomaterials were studied by X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) and Electron Paramagnetic Resonance (EPR). These techniques give site, element and chemical specific measurements which allow a better understanding of the interplay and role of each element in the functionality of the system. The catalytic performance of undoped and Cu-doped ZnO nanosystems were tested with respect to the Methanol Steam Reforming (MSR) reaction. Contrary to what is generally accepted in literature, the results obtained in this study demonstrate that ZnO also plays a prominent role in this catalytic process. The structure–activity relationship of ZnO and copper-doped ZnO catalysts described in this work give an insight into the effective function of each component which is vital to enable the rational design of improved catalysts. The luminescence properties of the doped Zn1-xTMxO nanopowders were investigated with X-ray Excited Optical Luminescence (XEOL) techniques: these experiments provided a better understanding of the relationship between the electronic structure of the systems and their properties. Results showed how it is possible to manipulate the luminescence of ZnO grown by Sol gel by modifying synthesis conditions – i.e. the annealing temperature and the nature and concentration of the transition metal ion. Finally, preliminary results were presented on the materials' magnetic properties, obtained by SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) magnetometry, where the coexistence of different contributions has been detected. Even though further characterisation is still needed, this study is a step towards the determination of the nature of magnetic interactions in such systems, of which there has been considerable debate in the scientific community.

Materiali a base di ZnO, in particolare nano-polveri di Zn1-xTMxO (TM = Mn, Co, Cu), sono stati sintetizzati via Sol gel per studiarne le proprietà in tre diversi campi applicativi quali la catalisi, l’ottica ed il magnetismo. Tali materiali sono stati caratterizzati utilizzando diverse tecniche, complementari tra loro, quali X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) e UV-Vis Spectroscopy. X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) ed Electron Paramagnetic Resonance (EPR) vengono invece impiegate per studiare le proprietà elettroniche e di struttura fine delle nano-polveri. Tali caratterizzazioni si sono dimostrate fondamentali per la comprensione delle proprietà del sistema ed, in particolare, per cercare di identificare le interazioni sussistenti tra struttura, composizione, morfologia dei materiali e la loro capacità di espletare una determinata funzionalità. Nano-polveri di ZnO tal quali e drogate con ioni rame vengono testate come catalizzatori nella reazione di Steam Reforming del metanolo. I risultati ottenuti in questo studio dimostrano il ruolo attivo dell’ossido di zinco nel processo catalitico, contrariamente a quanto solitamente accettato in letteratura. La relazione sussistente tra struttura-attività nei catalizzatori a base di ZnO permette di ottenere informazioni circa l’effettiva funzione di ogni componente, aspetto di estrema importanza per la progettazione razionale di catalizzatori con elevate performance. Le proprietà di luminescenza dei sistemi drogati Zn1-xTMxO vengono studiate mediante spettroscopia X-ray Excited Optical Luminescence (XEOL); tali esperimenti forniscono una migliore comprensione del rapporto che sussiste tra la struttura elettronica dei sistemi in esame e le loro proprietà di emissione. I risultati mostrano come sia possibile modulare la luminescenza di ZnO prodotto via Sol gel modificando le condizioni di sintesi – i.e. temperatura di trattamento, natura e concentrazione del metallo di transizione utilizzato come drogante. Infine, risultati preliminari sulle proprietà magnetiche dei materiali ottenuti mediante SQUID magnetometer (Superconducting Quantum Interference Devices) hanno rivelato la coesistenza di diversi contributi magnetici. Nonostante ulteriori caratterizzazioni siano sicuramente necessarie, questo studio si è rivelato un passo avanti verso una comprensione della natura delle interazioni magnetiche in tali sistemi, da tempo causa di vivace dibattito nella comunità scientifica.