Sintesi organica e metallorganica

Sintesi organica e metallorganica

Gloria Zanotti  - gloria.zanotti@ism.cnr.it

Sede di Roma - Monterotondo
 
Il laboratorio è completamente attrezzato per effettuare la sintesi chimica in condizioni standard e in ambiente controllato grazie all'ausilio di linee da vuoto e gas inerti; dispone inoltre di attrezzature per la separazione e la purificazione dei campioni mediante tecniche estrattive, termiche e cromatografiche adattabili a seconda del materiale da trattare e per la loro deposizione in forma di film sottili su varie tipologie di substrati. Le principali competenze presenti all'interno del laboratorio riguardano (1) sintesi organica, inorganica, metallorganica; (2) messa a punto e utilizzo di metodiche sintetiche sostenibili a basso impatto ambientale; (3) deposizione di film sottili mediante tecniche da soluzione e per evaporazione.
 

SPECIFICHE TECNICHE

  • Vetrerie ordinarie e speciali per sintesi in ambiente controllato

  • Cappe aspiranti attrezzate con linee da vuoto e gas inerti

  • Essiccatori riscaldanti sotto vuoto

  • Forno tubolare sotto vuoto fino a 700°C

  • Attrezzature per separazione e purificazione dei campioni

  • Centrifuga

  • Microscopio ottico

  • Cappa a flusso laminare

  • Bidistillatore

TECNICHE DISPONIBILI

  • Design, sintesi e purificazione di molecole organiche e metallorganiche altamente coniugate con specifiche caratteristiche ottiche ed elettroniche a seconda del target applicativo di riferimento (e.g. sensoristica, elettronica organica, optoelettronica) attraverso procedure sintetiche scalabili e a basso impatto ambientale.

  • Sintesi bulk di perovskiti ibride e inorganiche di varia composizione per studi di proprietà fondamentali.

 

ESEMPI APPLICATIVI

Sintesi di ftalocianine di zinco funzionalizzate da utilizzare come materiali molecolari trasportatori di lacune in elettronica organica

In questo lavoro vengono descritte la sintesi e la caratterizzazione di due ftalocianine di zinco funzionalizzate con derivati benzotienobenzotiofenici come nuovi potenziali semiconduttori di tipo p da utilizzarsi in tecnologie elettroniche e optoelettroniche. Come target applicativo sono state scelte le celle solari a perovskite, nelle quali entrambe le molecole hanno mostrato una interessante attività di trasporto di lacune anche in assenza di doping chimico.

Si veda: G. Zanotti, N. Angelini, G. Mattioli, A. M. Paoletti, G. Pennesi et al. Chempluschem 2020,.85, 1-12

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SPECIFICHE TECNICHE

  • Spincoater Convac 1001

    • numero di rotazioni programmabile fino a 9000 rpm.

  • Langmuir-Blodgett KSV 2000 system  

    • Velocità di deposizione 0.1 a 85mm/min

    • Cicli di deposizione illimitati

    • Range dinamico da 0 a 250mN/m

    • Superficie effettiva 675cm2

TECNICHE DISPONIBILI

DEPOSIZIONE DI FILM SOTTILI DA SOLUZIONE
  • Spincoater Convac 1001
  • Langmuir-Blodgett KSV 2000 system
 
 

CAMPIONI

Spincoater Convac 1001

  • Substrati da 5x5 mm2 fino a 4" wafers

Langmuir-Blodgett KSV 2000 system  

  • Misura massima del substrato 100x100mm

  • Superficie effettiva 675cm2 

 

UTILIZZATO PER

  • Deposizione di film sottili (mono/multilayers) su svariati substrati per studi morfologici, di propietà ottiche e di conducibilità elettrica. Applicazioni in fotovoltaico, sensoristica, elettronica organica.
 
 

Preparazione di film sottili di (FePc)2C realizzati tramite spin coating o Langmuir Blodgett per applicazioni sensoristichee studio dell'interazione con NO2

Gli ossidi di azoto sono tra gli inquinanti ambientali da tenere maggiormente sotto controllo e le metalloftalocianine (Pc) si sono dimostrate negli anni delle specie chimiche particolarmente adatte al loro rilevamento quando implementate in opportuni sensori. Lo studio di film di sistemi ftalocianinici a ponte μ-carburo realizzati tramite spin coating e Langmuir-Blodgett ha consentito di compararne il comportamento in presenza di NO2 in termini di interazione chimica gas-ftalocianina e di variazione nella conducibilità elettrica dei film. Le analogie e le differenze tra i due sistemi sono state razionalizzate tenendo conto delle differenti caratteristiche strutturali e morfologiche dei film indotte dalle due tecniche di deposizione.

Si veda: A. Capobianchi, A. M. Paoletti, G. Rossi, G. Zanotti, G. Pennesi, Sensors and actuators B 142 (2009) 159-165

 
 

Sintesi inorganica di materiali porosi per catalisi

Sintesi inorganica di materiali porosi per catalisi

Adriana De Stefanis  - adriana.destefanis@ism.cnr.it

Sede di Roma - Monterotondo
 
Un materiale poroso è un solido costituito da una struttura in cui esiste una rete di pori interconnessi. Ne fanno parte sostanze naturali come minerali ed argille o sintetiche come ceramici, MOF, membrane ecc. Vengono utilizzati come supporti per immobilizzare i veri e propri catalizzatori, siano essi in forma omogenea o di nanoparticelle, che vengono di solito dispersi nel supporto come film sottili o ancorati sulle pareti dei pori. Questi catalizzatori pur potendo avere elevata attività e selettività, presentano lo svantaggio di essere difficilmente separabili i primi e instabili i secondi. Utilizzare i materiali porosi come supporti permette di superare queste limitazioni, e di ottenere allo stesso tempo elevata accessibilità ai siti attivi, limitando inoltre la riaggregazione delle nanoparticelle. Un numero elevato e raggiungibile di siti attivi aumenta la reattività del sistema reagente(i)-catalizzatore. Inoltre, la specifica struttura porosa di ogni materiale può anche aumentare la selettività della reazione, quando ad esempio impedisca la formazione di più isomeri diversi inibendo quelli con dimensioni difformi da quelle del network poroso. Infine, molti di questi supporti, opportunamente modificati, introducendo funzioni metalliche e/o acide o basiche nella loro struttura, possono avere un'attività catalitica propria ed essere considerati a pieno titolo come catalizzatori eterogenei porosi. Molti di questi materiali porosi sono, inoltre, tradizionalmente utilizzati come setacci molecolari nella separazione di miscele di gas e nell'assorbimento di specie specifiche. Nella figura in alto sono riportati i più comuni metodi di tridimensionalizzazione delle argille smectiche che rappresentano anche molti dei metodi di sintesi utilizzati nella preparazione di materiali inorganici porosi.
 

SPECIFICHE TECNICHE

  • Porosità: micro (fino a 2 nm); meso (fino a 50 nm); macro (> 50nm). (Porosimetro ed equazione BJH per PSD)

  • Volume poroso (metodo t-plot)

  • Geometria porosa (curve di isteresi di assorbimento di N2, porosimetro)

  • Area specifica superficiale (Equazione BET o Langmuir, da poche decine a migliaia di m2/g)

  • Acidità (test della piridina con FTIR)

  • Grandezza dei cristalli (>200 nm) Struttura e fasi (XRPD)

  • Contenuto in metalli (alcune unità %)(AAS)

TECNICHE DISPONIBILI

Sintesi di materiali porosi inorganici

  • Sintesi idrotermale(Zeoliti, zeotipi)  

    • con templante organico (shape-directingeffect)

    • con combinazione di ossidi diversi (atomi tetraedrici diversi per diverse lunghezze dei legami T-O)

    • con specifiche unità spaziali (aggiunta di unità 4R o 6R a AlPO)

  • Metodi di pilastramento/intercalazione di materiali 2D (vedi figura) (Argille smectitiche, fosfati dei metalli del IV gruppo, LDH, ossidi metallici)

  • Metodi batch (MOF, ZIF)

  • Metodi sol-gel (Silica-allumina da organosilani e gel di alluminati)

Preparazione di catalizzatori su supporti porosi - metodi chimici

  • Scambio ionico

  • Co-precipitazione

  • Deposizione-precipitazione

  • Microemulsione

  • Saturazione per impregnazione

Preparazione di catalizzatori su supporti porosi- metodi fisici

  • Sonicazione

  • Irradiazione a microonde

  • PLA

Modifiche di materiali porosi inorganici

  • Introduzione di funzione acida o basica (modifica del rapporto Si/Al durante la sintesi);

  • Introduzione di metalli nel framework (sostituzione di Si e/o Al con Ti, Cr, Zr etc durante la sintesi);

  • Eliminazione di metalli dal framework (dealluminazione post-sintesi).

Altre sintesi di materiali inorganici

  • Sintesi sol-gel di biovetri

 

CAMPIONI

  • Campioni di:

    • Zeoliti: Y, USY, ZSM-5

    • Zeotipi: MCM41, FSM 16, MCM23

    • PILCs

    • PCH

    • MOF

    • ZIF

    • LDH

    • PILPs

    • Ossidi metallici supportati (ceria, etc)

    • Biovetri

  • Campioni da 1 a 500g
  • Campioni con tenore fissato in metallo
 

UTILIZZATO PER

Catalisi

  • Depolimerizzazione di plastiche (PET, PP) per il recupero di monomeri ed energia;
  • HDO della lignina per la produzioni di frazioni per jet fuel;
  • Produzione di syngas da CO2 e H2O (water shift).

Assorbimento/separazione

  • Separazione e concentrazione della CO2 atmosferica;
  • Separazione cromatografica di miscele di idrocarburi;
  • Assorbimento di acidi minerali da miscele di biocarburanti.
 
 

ESEMPI APPLICATIVI

Pirolisi catalitica di polietilene

Riciclare plastiche attraverso trattamenti termici o catalitici è tra le possibili soluzioni alternative alle discariche e alla dispersione nell'ambiente. I principali obiettivi sono la produzione di carburanti o il recupero di monomeri e/o prodotti chimici.
Se si effettua una comparazione tra i prodotti di pirolisi del polietilene ottenuti attraverso degradazione termica (in alto nella figura) e catalisi (in basso), si osserva che dalla prima si ottiene una distribuzione omogenea e degradante di prodotti a numero di atomi di carbonio da C1 a C24, mentre con opportuno catalizzatore si ottengono prodotti raggruppati nel range del gasolio C12-C23.

 
 
 

Assorbimento, concentrazione e recupero della CO2 atmosferica

Nella lotta per la riduzione delle emissioni mondiali di CO2 restano in primo piano i grandi impianti per la produzione di elettricità e in generale le grandi industrie petrolifere e chimiche. Le grandi quantità di CO2 emesse da questi impianti sono però facilmente intercettate prima dell'emissione in atmosfera.  Questo, purché si disponga di tecnologie efficaci ad alte temperature, per la separazione della CO2 dagli altri gas con adsorbenti in grado di catturarne grandi quantità per unità di peso e/o volume. Uno dei metodi in uso, che richiede comunque un dispendio di energia pari a circa il 20% di quella prodotta nell'impianto, utilizza soluzioni amminiche, tossiche, attraverso cui gli effluenti ricchi di CO2 vengono fatti passare. La CO2 si lega all'ammina e viene separata. Per poter poi immagazzinare la CO2, la soluzione amminica deve essere riscaldata per il suo rilascio. Esistono comunque altre tecniche quali la separazione criogenica, quella con membrane e l'utilizzo di setacci molecolari solidi. Tra i processi di assorbimento sono particolarmente interessanti la PSA (pressure swing adsorption), la VSA (vacuum swing adsorption) e la TSA (temperature swing adsorption).Per tali assorbenti sono richieste le seguenti caratteristiche:
1) Elevata selettività e capacità adsorbente per la CO2;
2) adeguata cinetica di adsorbimento/desorbimento;
3) capacità di adsorbimento costante anche dopo numerosi cicli alle condizioni operative.
L'esperimento in figura riguarda assorbimento e desorbimento della CO2 atmosferica con uno ZIF modificato con Sr, utilizzando la TSA.

 
 
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