Nano-reattori a micelle inverse per la sintesi e l'ottimizzazione di catalizzatori a base di ceria nano-cristallina: studio della rimozione di ibuprofene in presenza di luce solare = Reverse micelle nano-reactors for the synthesis and optimisation of nano-crystalline ceria-based catalysts: study of ibuprofen removal in the presence of solar light

Attualmente, una delle più critiche problematiche ambientali riguarda gli inquinanti organici emergenti (emerging organic pollutants EOP) presenti sia in acque reflue che in acque superficiali. La crescita della popolazione e il conseguente sviluppo delle attività antropiche hanno, infatti, causato un consistente rilascio di sostanze chimiche artificiali nell’ambiente circostante. L’ibuprofene, un farmaco antiinfiammatorio non steroideo in grado di provocare effetti acuti e cronici sugli organismi non bersaglio, è tra i farmaci maggiormente diffusi in ambiente. Per una completa degradazione dell’ibuprofene le tecniche convenzionali di depurazione delle acque risultano inadeguate, per cui si è deciso di ricorre a un processo di ossidazione avanzata che prende il nome di fotocatalisi. La fotocatalisi si basa sull’utilizzo di un materiale semiconduttore che, in presenza di una radiazione luminosa, è in grado di degradare i composti organici tossici, con l’obiettivo finale di una completa mineralizzazione (trasformazione dell’inquinante organico in molecole inorganiche come H2O e CO2). L’obiettivo principale del lavoro proposto è la sintesi e l’ottimizzazione di catalizzatori a base di ossido di cerio per la fotodegradazione di ibuprofene con l’utilizzo di luce solare. A questo scopo, l’attenzione si è concentrata su sistemi nanometrici Fe-CeO2 in cui il contenuto di ferro è stato variato da 0 a 2.5% (rapporto molare). Per avere un controllo accurato delle proprietà chimico-fisiche delle nanoparticelle è stato ottimizzato un protocollo di sintesi basato sull’utilizzo delle micelle inverse. In particolare, la procedura utilizzata ci ha consentito di sintetizzare nanocristalli di ceria molto piccoli (4,0 ÷ 4,5 nm) evitando la formazione di fasi separate, cristalline o amorfe, contenenti ferro. La presenza di ferro sostituzionale e la sua distribuzione nel reticolo cristallino sono state valutate con opportune tecniche di caratterizzazione. I risultati ottenuti hanno mostrato che il drogaggio con ferro è responsabile della diminuzione del band gap e dell’aumento di concentrazione dei difetti reticolari come le vacanze di ossigeno e gli ioni Ce3+. Per studiare sia l’adsorbimento che l’attività fotocatalitica dei catalizzatori, sono state condotte prove per la rimozione di ibuprofene al buio e sotto irradiazione di luce solare. Successivamente, si sono messe in relazioni le proprietà ottiche e strutturali dei catalizzatori preparati con la loro attività fotodegradativa, dando rilievo all’effetto benefico del drogaggio con il ferro. Nonostante i calcoli DFT (density functional theory) abbiano indicato come l’adsorbimento di ibuprofene sulle superfici di CeO2 sia favorito in presenza di ferro e di vacanze di ossigeno, la capacità di adsorbimento non ha mostrato un andamento monotono crescente rispetto al contenuto di drogante. Questa apparente contraddizione è stata spiegata considerando la carica superficiale dei campioni al pH di esercizio. Un importante risultato di questo lavoro di tesi è aver evidenziato come la fotoattività del catalizzatore sia il risultato di un delicato equilibrio tra l’adsorbimento e la fotodegradazione dell’ibuprofene. In questo scenario, il metodo di sintesi proposto si è dimostrato estremamente efficace per la modellazione delle proprietà chimico-fisiche del catalizzatore. È stato, infine, individuato il campione Fe2.5 come quello potenzialmente più promettente per applicazioni pratiche di fotodegradazione dell’ibuprofene presente nelle acque.