Microwave-assisted synthetic routes for single and multicomponent functional nanoparticles
- Autores: Miquel Torras Martínez
- Directores de la Tesis: Anna Roig Serra (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Germán Salazar (presid.), Leonardo Scarabelli (secret.), Andreu Cabot Codina (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia de Materiales por la Universidad Autónoma de Barcelona
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
- español
La nanotecnologia és cada dia més present en molts àmbits de la societat i sectors industrials. Les noves aplicacions, dispositius i productes derivats dels seus avenços exigeixen nous nanomaterials, més concretament, nanopartícules amb propietats funcionals. Per tant, les nanopartícules funcionals s’han convertit en un camp de recerca molt actiu a la cerca de nous sistemes col·loïdals i nous mètodes de fabricació. En conseqüència, calen mètodes ben dissenyats, reproduïbles i escalables per a una producció eficient de nanopartícules. La síntesi assistida per microones és una ruta sintètica versàtil que pot donar suport a l’enginyeria de nanopartícules, ja que aquesta metodologia presenta propietats úniques i àmplies possibilitats, les quals cal explorar amb més detall. La tesi reporta sobre noves rutes químiques assistides per microones per al disseny racional de nanopartícules funcionals mono- i multicomponent. Concretament, conté un estudi complet sobre nanopartícules de plata mitjançant la fabricació per microones amb un alt grau de control sintètic. La formació de les nanopartícules ha estat monitoritzada en detall per entendre el mecanisme de reacció. La tesi també explora la preparació mitjançant síntesi per microones de nanoestructures buides d’aliatges de composicions metaestables com ara Rh-Ag i Pd-Ag. Segueix per l’extensió de les rutes per microones a sistemes més complexos com les heteroestructures cúbiques que combinen òxids metàl·lics (Cu2O) i metalls (Au, Ag, Pd i Pt). Finalment, la tesi investiga nanocompòsits d’or i titània obtinguts per microones com a fotocatalitzadors per a la generació d’hidrogen en fase gasosa. En primer lloc, es van avaluar els catalitzadors formats per nanopartícules d’or i titània i van presentar un rendiment excel·lent per a la generació d’hidrogen. A continuació, també es van estudiar nous fotocatalitzadors compostos per nanopartícules d’or dins de cristalls fotònics 2D de titània mesoporosa per a la fotoproducció d’hidrogen. Remarcablement, la producció d’hidrogen es va poder estendre al visible combinant la captura de llum en cristalls fotònics 2D amb ressonàncies plasmòniques. En resum, aquesta tesi doctoral ha identificat i consolidat la química assistida per microones com un enfocament sintètic innovador per a la fabricació de nanopartícules funcionals mono- i multicomponent. Els aspectes més rellevants de la tesi són l’aconseguiment del control sintètic de nanopartícules d’un sol component, l’obtenció d’heteroestructures complexes de metall/òxids metàl·lics o aliatges metaestables i la validació de sistemes d’or/titània com a fotocatalitzadors per a la producció d’hidrogen.
La nanotecnología está cada día más presente en muchos ámbitos de la sociedad y sectores industriales. Las nuevas aplicaciones, dispositivos y productos derivados de sus avances exigen nuevos nanomateriales, más concretamente, nanopartículas con propiedades funcionales. Por tanto, las nanopartículas funcionales se han convertido en un campo de investigación muy activo en busca de nuevos sistemas coloidales y nuevos métodos de fabricación. En consecuencia, se necesitan métodos bien diseñados, reproducibles y escalables para una producción eficiente de nanopartículas. La síntesis asistida por microondas es una ruta sintética versátil que puede apoyar la ingeniería de nanopartículas, ya que esta metodología presenta propiedades únicas y amplias posibilidades, las cuales es necesario explorar con más detalle. La tesis reporta sobre nuevas rutas químicas asistidas por microondas para el diseño racional de nanopartículas funcionales mono- y multicomponente. Concretamente, contiene un estudio completo sobre nanopartículas de plata mediante la fabricación por microondas con un alto grado de control sintético. La formación de las nanopartículas ha sido monitorizada detalladamente para entender el mecanismo de reacción. La tesis también explora la preparación mediante síntesis por microondas de nanoestructuras vacías de aleaciones de composiciones metaestables como Rh-Ag y Pd-Ag. Sigue por la extensión de las rutas por microondas a sistemas más complejos como las heteroestructuras cúbicas que combinan óxidos metálicos (Cu2O) y metales (Au, Ag, Pd y Pt). Por último, la tesis investiga nanocompuestos de oro y titánea obtenidos por microondas como fotocatalizadores para la generación de hidrógeno en fase gaseosa. En primer lugar, se evaluaron los catalizadores formados por nanopartículas de oro y titánea y presentaron un excelente rendimiento para la generación de hidrógeno. A continuación, también se estudiaron nuevos fotocatalizadores compuestos por nanopartículas de oro dentro de cristales fotónicos 2D de titania mesoporosa para la fotoproducción de hidrógeno. Remarcablemente, la producción de hidrógeno pudo extenderse al visible combinando la captura de luz en cristales fotónicos 2D con resonancias plasmónicas. En resumen, esta tesis doctoral ha identificado y consolidado la química asistida por microondas como un enfoque sintético innovador para la fabricación de nanopartículas funcionales mono- y multicomponente. Los aspectos más relevantes de la tesis son el logro del control sintético de nanopartículas de un solo componente, la obtención de heteroestructuras complejas de metal/óxidos metálicos o aleaciones metaestables y la validación de sistemas de oro/titánea como fotocatalizadores para la producción de hidrógeno.
- English
Nanotechnology is more and more prevalent in many societal domains and industrial sectors. New applications, devices and products resulting from its advances demand new nanomaterials, specifically, nanoparticles with functional properties. Hence, functional nanoparticles have become a very active research field in search of new colloidal systems and novel methods of fabrication. Consequently, well-understood, reproducible, and scalable methods for efficient nanoparticle production are needed. Microwave-assisted synthesis is a versatile synthetic route that can support nanoparticle engineering as this methodology exhibits unique properties and extensive possibilities, which are still to be fully explored.
The thesis reports on novel microwave-assisted chemistry routes for the rational design of single and multicomponent functional nanoparticles. Specifically, contains a complete study on silver nanoparticles by microwave fabrication with a high degree of synthetic control. The nanoparticle formation has been monitored in detail to understand the reaction mechanism. The dissertation also explores the preparation via microwave-synthesis of alloyed hollow nanostructures of metastable compositions such as Rh-Ag and Pd-Ag. It follows by extending microwave routes to more complex systems as the cubic heterostructures combining metal oxides (Cu2O) and metals (Au, Ag, Pd and Pt). Finally, the thesis investigates microwave-obtained gold/titania nanocomposites as photocatalysts for gas-phase hydrogen generation. First, catalysts formed by gold/titania nanoparticles were evaluated and presented an excellent performance for hydrogen generation. Next, novel photocatalysts composed of gold nanoparticles within mesoporous titania 2D-photonic crystals were also studied for hydrogen photo-production. Remarkably, hydrogen production could be extended into the visible by combining light trapping in 2D photonic crystals with plasmonic resonances.
In summary, this Ph.D. thesis has identified and consolidated microwave-assisted chemistry as an innovative synthetic approach for single and multicomponent functional nanoparticle fabrication. More relevant aspects of the dissertation are the achievement of synthetic control for single-component nanoparticles, the attainment of complex metal/metal oxides heterostructures or metastable alloys and the validation of gold/titania systems as photocatalysts for hydrogen production.
- català
La nanotecnologia és cada dia més present en molts àmbits de la societat i sectors industrials. Les noves aplicacions, dispositius i productes derivats dels seus avenços exigeixen nous nanomaterials, més concretament, nanopartícules amb propietats funcionals. Per tant, les nanopartícules funcionals s’han convertit en un camp de recerca molt actiu a la cerca de nous sistemes col·loïdals i nous mètodes de fabricació. En conseqüència, calen mètodes ben dissenyats, reproduïbles i escalables per a una producció eficient de nanopartícules. La síntesi assistida per microones és una ruta sintètica versàtil que pot donar suport a l’enginyeria de nanopartícules, ja que aquesta metodologia presenta propietats úniques i àmplies possibilitats, les quals cal explorar amb més detall. La tesi reporta sobre noves rutes químiques assistides per microones per al disseny racional de nanopartícules funcionals mono- i multicomponent. Concretament, conté un estudi complet sobre nanopartícules de plata mitjançant la fabricació per microones amb un alt grau de control sintètic. La formació de les nanopartícules ha estat monitoritzada en detall per entendre el mecanisme de reacció. La tesi també explora la preparació mitjançant síntesi per microones de nanoestructures buides d’aliatges de composicions metaestables com ara Rh-Ag i Pd-Ag. Segueix per l’extensió de les rutes per microones a sistemes més complexos com les heteroestructures cúbiques que combinen òxids metàl·lics (Cu2O) i metalls (Au, Ag, Pd i Pt). Finalment, la tesi investiga nanocompòsits d’or i titània obtinguts per microones com a fotocatalitzadors per a la generació d’hidrogen en fase gasosa. En primer lloc, es van avaluar els catalitzadors formats per nanopartícules d’or i titània i van presentar un rendiment excel·lent per a la generació d’hidrogen. A continuació, també es van estudiar nous fotocatalitzadors compostos per nanopartícules d’or dins de cristalls fotònics 2D de titània mesoporosa per a la fotoproducció d’hidrogen. Remarcablement, la producció d’hidrogen es va poder estendre al visible combinant la captura de llum en cristalls fotònics 2D amb ressonàncies plasmòniques. En resum, aquesta tesi doctoral ha identificat i consolidat la química assistida per microones com un enfocament sintètic innovador per a la fabricació de nanopartícules funcionals mono- i multicomponent. Els aspectes més rellevants de la tesi són l’aconseguiment del control sintètic de nanopartícules d’un sol component, l’obtenció d’heteroestructures complexes de metall/òxids metàl·lics o aliatges metaestables i la validació de sistemes d’or/titània com a fotocatalitzadors per a la producció d’hidrogen.
- español
