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Zanatta, Michele (2017) Design and development of a SICM/EC device for H2/O2 detection in photoelectrocatalytic water splitting process. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

The last century has seen a skyrocketing role of energy resources. The industrial world was overwhelmed by this dramatic change, making the exploitation of renewable energy resources one of the greatest challenges of 21st century. In this context, hydrogen arises as the most promising candidate to substitute crude oil and an increased interest on this topic has been observed over the last years. In particular, last years saw an increasing interest on this topic. In particular, researchers focused on sustainable methods for hydrogen production: currently, the scientific frontier is represented by photoelectrocatalytic water splitting, the most promising method for hydrogen production through water splitting. In this work, useful results for technological advance in the field of photoelectrocatalytic water splitting are introduced. More specifically, a new, easily realised probe for investigation of catalyst is described: in particular, attention is focused on pH detection over microstructured photoelectrocatalysts during water splitting process. The study, design, fabrication and characterisation of this integrated scanning ion conductance microscope - electrochemical (SICM-EC) probe, with new electrodic material and insulating coating, are presented. Approach to hydrogen sensing through electrochemical measurements using the integrated device as sensing electrode are shown. Influence of different pH on open circuit potential of the sensing probe is described and exploited for investigation on water splitting process over macro and micro electrodes. Microelectrodes covered with Co-Pi photoelectrocatalyst, known for coupling many elements of natural photosynthesis with a self-repairing behaviour, were fabricated. They were used to perform water splitting and data from experimental tests are shown. Finally, a new microfluidic device was designed to combine advantages of photoelectrocatalysis with the positive features of microfluidic systems. Moreover, fluid dynamics in this proposed device is investigated through simulations. Further perspectives include simultaneous pH sensing and topographical imaging of photoelectrocatalysts and deep studies on their behaviour inside a microfluidic system.

Abstract (italian)

Nel secolo scorso si è visto un incremento drammatico dell'importanza delle risorse energetiche. Il mondo industriale è stato segnato da questo cambiamento profondo, rendendo lo sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili una delle più grandi sfide del XXI secolo. In questo contesto, l'idrogeno si pone come il candidato più promettente per la sostituzione del petrolio greggio e negli ultimi anni si è visto un interesse crescente su questo argomento. In particolare, i ricercatori si sono concentrati su metodi sostenibili per la produzione di idrogeno: attualmente la frontiera scientifica è rappresentata dalla scissione dell'acqua mediante fotoelettrocatalisi, il metodo più promettente per la produzione di idrogeno mediante la scissione dell'acqua. In questo lavoro vengono introdotti risultati utili per l'avanzamento tecnologico nel campo della scissione fotoelettrocatalitica dell'acqua. Più specificatamente, viene descritta una nuova sonda per lo studio del catalizzatore, facilmente realizzata: in particolare, l'attenzione viene posta sul rilevamento del pH durante il processo di scissione dell'acqua al di sopra di fotoelettrocatalizzatori microstrutturati. Viene presentato lo studio, la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di questo dispositivo integrato microscopio a scansione di conduttanza ionica - elettrochimico (SICM-EC), preparato con materiale elettrodico e rivestimento isolante nuovi. Viene mostrato l'approccio al rilevamento di idrogeno attraverso misure elettrochimiche usando il dispositivo integrato come elettrodo di rilevamento. Viene descritta l'influenza che valori diversi di pH hanno sul potenziale di circuito aperto della sonda, sfruttata per l'analisi del processo di scissione dell'acqua su macro e microelettrodi. Sono stati fabbricati microelettrodi ricoperti da fotoelettrocatalizzatore Co-Pi, noto per combinare molti elementi della fotosintesi naturale con un comportamento auto-riparante. Questi microelettrodi sono stati usati per effettuare la scissione dell'acqua e vengono mostrati dati provenienti da prove sperimentali. Infine, è stato progettato un nuovo dispositivo microfluidico per combinare i vantaggi della fotoelettrocatalisi con le caratteristiche positive dei sistemi microfluidici. Inoltre, attraverso simulazioni è studiata la fluidodinamica che avviene in questo dispositivo proposto. Ulteriori prospettive includono il rilevamento simultaneo di pH e l'imaging topografico dei fotoelettrocatalizzatori, con studi approfonditi sul loro comportamento all'interno di un sistema microfluidico.

EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Brusatin, Giovanna
Supervisor:Giomo, Monica
Ph.D. course:Ciclo 30 > Corsi 30 > SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI E DELLE NANOSTRUTTURE
Data di deposito della tesi:12 January 2018
Anno di Pubblicazione:30 October 2017
Key Words:SICM-EC probe pH mapping OCP sensing water splitting
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 03 - Scienze chimiche > CHIM/01 Chimica analitica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:10735
Depositato il:25 Oct 2018 15:42
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