Nanoparticelle metalliche supportate su fibre carboniose ottenute in-situ da tessuti non tessuti maltodestrinici attraverso un approccio one-step

In recent years, the use of metal nanoparticles as catalysts for the valorisation of biomass has attracted growing scientific and industrial interest. In response to the depletion of fossil oil reserves and concern about climate change, research has turned towards the possibility of obtaining chemicals and fuels in a more sustainable way, including by exploiting biomass as a raw material. In this perspective, one of the most promising methods for converting bio-renewable resources into chemical products with higher added value is the oxidation of biomass facilitated by the catalytic capabilities of metal nanoparticles. In light of this, the purpose of this thesis is to investigate a novel method for the in-situ synthesis of copper and gold nanoparticles on carbon fibers by the use of an electrospinning procedure and precursors such as maltodextrins and citric acid. In order to overcome the drawbacks of conventional methods, which instead require the two distinct phases, the goal is to design a one-pot method that enables the manufacture of both the metal nanoparticles and the carbonaceous support, making the catalyst synthesis direct and efficient. Because maltodextrins and citric acid are inexpensive, soluble in water, biobased, and most importantly, can undergo spinning, they are perfect sustainable precursors for the electrospinning process that creates non-woven fibrous mats. Specifically, citric acid is essential to the process of fiber crosslinking. The latter creates insoluble structures with increased chemical resistance by encouraging the creation of cross-links between the polymer chains through heat treatment. In the present research, carbon fibers were originated through a pyrolysis treatment in order to obtain the formation of carbon fibres with a porous structure, suitable for catalytic applications. Simultaneously, the incorporation of metal salts into the polymer solution intended for electrospinning allowed for the promotion of both the in-situ nucleation of metal nanoparticles on the polymer during pyrolysis, in addition to the creation of carbon fibers. Using scanning electron microscopy (SEM and FESEM) and transmission electron microscopy (TEM) methods, a thorough morphological examination of the size and shape of the gold and copper nanoparticles was carried out in the second section of the work. In this context, the morphology and size of the nanoparticles are two key parameters to be examined, as they significantly influence the properties of the catalyst. Finally, to evaluate the catalytic efficacy of the nanoparticles, experiments were conducted to examine the conversion of benzyl alcohol to benzaldehyde, a widely utilized oxidation reaction for assessing the catalyst's performance under realistic settings.

Negli ultimi anni, l'impiego di nanoparticelle metalliche come catalizzatori per la valorizzazione delle biomasse ha suscitato un crescente interesse scientifico e industriale. In risposta all'esaurimento delle riserve di petrolio fossile e alla preoccupazione per i cambiamenti climatici, la ricerca si è orientata verso la possibilità di ottenere prodotti chimici e combustibili in maniera più sostenibile, anche tramite lo sfruttamento della biomassa come materia prima. In questo contesto, l'ossidazione delle biomasse promossa dalle proprietà catalitiche delle nanoparticelle metalliche rappresenta una delle tecniche più promettenti per la trasformazione delle risorse biorinnovabili in prodotti chimici dal maggiore valore aggiunto. Considerata tale premessa, il presente elaborato di tesi si propone di esplorare un approccio innovativo per la sintesi in-situ di nanoparticelle di oro e di rame su fibre di carbone, ottenute mediante un processo di elettrofilatura, utilizzando maltodestrine e acido citrico come precursori. L’obiettivo è sviluppare un metodo one-pot che consenta, in un singolo passaggio, la produzione sia del supporto carbonioso sia delle nanoparticelle metalliche, superando le limitazioni delle tecniche tradizionali, che prevedono invece le due fasi distinte, rendendo la sintesi del catalizzatore diretta ed efficace. Le maltodestrine e l'acido citrico, grazie al loro basso costo, alla solubilità in acqua, alla natura bio-based e, soprattutto, alla possibilità di esser sottoposti a un processo di filatura, costituiscono dei precursori sostenibili ideali per la sintesi di tappetini fibrosi di tessuto non tessuto mediante la tecnica dell'elettrospinning. L'acido citrico, in particolare, assume un ruolo chiave nel processo di reticolazione delle fibre. Quest’ultimo, mediante un trattamento termico, promuove la formazione di legami incrociati tra le catene polimeriche, permettendo di ottenere delle strutture insolubili caratterizzate da una maggiore resistenza chimica. Nella presente ricerca, le fibre carboniose sono state originate tramite un trattamento di pirolisi, in modo da ottenere la formazione di fibre di carbonio con una struttura porosa, adatta per applicazioni catalitiche. Contestualmente, l’aggiunta di sali metallici alla soluzione polimerica da sottoporre al processo di elettrofilatura ha consentito, durante la pirolisi, di promuovere non solo la formazione delle fibre di carbonio, ma anche la nucleazione in-situ delle nanoparticelle metalliche direttamente su esse. Nella seconda parte del lavoro, un’analisi morfologica dettagliata delle dimensioni e della forma delle nanoparticelle di oro e di rame è stata condotta mediante l’ausilio delle tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM e FESEM) e di microscopia elettronica a trasmissione (TEM). In questo contesto, la morfologia e le dimensioni delle nanoparticelle rappresentano due parametri fondamentali da esaminare, in quanto influenzano significativamente le proprietà del catalizzatore. Da ultimo, per valutare l’efficacia catalitica delle nanoparticelle, sono stati condotti dei test in cui è stata vagliata la conversione del benzil alcol a benzaldeide, rappresentando essa una reazione di ossidazione comunemente utilizzata per investigare la capacità del catalizzatore di operare in condizioni reali.