Synthesis and functionalization of metal oxide nanostructures for photoelectrochemical energy conversion

Abstract

Questo lavoro di tesi ha l’obbiettivo di sviluppare nuovi nanomateriali, a base di ossidi metallici ceramici semiconduttori, per applicazioni in campo energetico. I materiali sintetizzati sono stai impiegati per l’assemblaggio di elettrodi da impiegarsi per il water-splitting fotoelettochimico. Nanofibre di TiO2-anatasio sono state preparate mediante reazione sol-gel, impiegando membrane nano porose come agente direzionale di struttura (template). Nanofibre di ZnO, sono state invece preparate attraverso deposizione elettrochimica su elettrodi ITO trasparenti o, in alternativa, su ensemble di nanofili d’oro. Nel primo caso sono state ottenute fibre lineari, nel secondo fibre ramificate gerarchicamente. Queste ultime strutture, si sono dimostrate le più efficienti tra quelle sintetizzate in questa tesi rispetto alla fotossidazione dell’acqua, fornendo valori di fotocorrente 7 volte superiore rispetto ad elettrodi “classici”, ricoperti di nano particelle di TiO2. Infine, nell’ultima parte della tesi, è stata studiata la funzionalizzazione asimmetrica di particelle mediante elettrochimica bipolare. Tale tecnica è stata impiegata con successo nella deposizione asimmetrica di metalli e polimeri conduttori su substrati conduttori prima e, successivamente, su microfibre di semiconduttori. In quest’ultimo caso si è dimostrato come il processo di deposizione elettrochimica possa essere modulato attraverso l’irraggiamento delle nanofibre con luce UV.

This thesis has the aim to develop new nanomaterials based on ceramic metal oxide semiconductors for energy applications. The synthesized materials were used for the assembly of electrodes to be used in the photoelectrochemical water-splitting reaction. TiO2-anatase nanofibers were prepared by sol-gel reaction, employing nano-porous membranes as template. ZnO nanofibers, were instead prepared through electrochemical deposition on ITO transparent electrodes, or alternatively, on ensembles of gold nanowires. In the former substrate, linear nanofibers were obtained, in the latter, hierarchically branched fibers were obtained. Branched nanofibers have proven to be the most efficient among those summarized in this thesis, and have demonstrated efficiencies 7 times higher than that of conventional TiO2 nanoparticle electrodes. In the last part of the thesis, we studied the asymmetric functionalization of microfibers by bipolar electrochemistry. This technique has been used successfully in asymmetric deposition of metals and conducting polymers on conductors and semiconductors microfibers. In the latter case, has been demonstrated that the electrochemical deposition, can be modulated by UV irradiation.