Sviluppo di materiali nanostrutturati per trattamento aria di ambienti chiusi e confinati. = Development of nanostructured materials for air treatment in enclosed and confined environments.

ABSTRACT DI TESI, Sessione marzo 2024 TITOLO DELLA TESI: “Sviluppo di materiali nanostrutturati per trattamento aria di ambienti chiusi e confinati.” CANDIDATO: Carlo Castelli. RELATORI: Marco Piumetti, Samir Bensaid, Nunzio Russo. Il lavoro di Tesi si è incentrato sull’abbattimento di inquinanti gassosi (VOCs) per la purificazione dell’aria in ambienti indoor. Durante la parte sperimentale sono stati sintetizzati catalizzatori a base di ossidi di manganese con diverse strutture cristalline, utilizzando due diverse procedure (nanocasting -NC e solution combustion synthesis -SCS), e funzionalizzati con nanoparticelle di oro. Tali materiali sono stati caratterizzati dal punto di vista chimico-fisico tramite fisisorbimento di N2 a -196°C, tecniche di diffrazione, microscopiche e spettroscopiche e tecniche di temperatura programmata. Successivamente, tali catalizzatori sono stati testati su scala di laboratorio per la rimozione completa di monossido di carbonio, etilene, propilene e toluene simulando una miscela reale di aria (21% di ossigeno) contenente 100 ppm di tali inquinanti. Dai risultati ottenuti è stato possibile concludere che i catalizzatori più performanti sono quelli che contengono MnO2 come fase cristallina. Inoltre, grazie alla presenza di oro, l’attività catalitica ha subito un effetto positivo, in particolare per il catalizzatore sintetizzato tramite NC (chiamato Au-MnO2_NC), probabilmente grazie alla maggiore superficie specifica che ha permesso una migliore deposizione della fase attiva sul supporto, rispetto a quelli sintetizzati con tecnica SCS. I migliori risultati sono stati osservati per l’ossidazione del CO con il catalizzatore Au-MnO2_NC, raggiungendo più del 50 % di conversione a 20 °C ed il 100 % a 60 °C. Per quanto riguarda i VOCs, sono state osservate attività catalitiche già in un range di temperature compreso tra 50 - 75 °C, con T50 a 141 e 125 °C e T90 a 175 e 145 °C, rispettivamente per etilene e propilene. Au-MnO2_NC è stato ulteriormente investigato per comprenderne meglio le performance catalitiche, effettuando test di stabilità e test ciclici. I risultati hanno dimostrato che l’attività catalitica è rimasta costante rispettivamente per 8 ore e su 3 cicli consecutivi. I risultati di questi test sono in accordo con quanto ottenuto dalle caratterizzazioni chimico-fisiche. L’ analisi di desorbimento di ossigeno del campione NC, infatti, ha riscontrato la maggior quantità di ossigeni desorbiti, ed alla temperatura più bassa. Risultato analogo si è riscontrato nella H2-TPR, riguardo alla quantità idrogeno consumato. Il NC è anche il catalizzatore che, dopo la deposizione della fase attiva, ha avuto il maggiore incremento del rapporto Oα/Oβ, quindi di ossigeni difettivi, determinato con XPS. Si nota, inoltre, che in seguito alla deposizione della fase attiva, Au-MnO2_NC ha avuto una diminuzione dell’area superficiale (da 88 a 57 m2/g) suggerendo questa è avvenuta senza che le nanoparticelle di oro abbiano formato grandi cluster. Anche le immagini al microscopio elettronico sono in linea con questo ragionamento. È importante sottolineare che la deposizione della fase attiva è efficace solo quando questa riesce ad avvenire senza che le nanoparticelle si agglomerino a formare grandi cluster, perdendo notevole reattività. Se invece le nanoparticelle sono molto piccole, tra 2- 20nm, queste andranno a creare una sinergia con il supporto, aumentando la mobilità degli ossigeni superficiali e di bulk, favorendo la formazione di vacanze anioniche molto reattive.