Sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle

L'interesse per i processi di sintesi di materiali nanostrutturati, come le nanoparticelle, i nanotubi e i nanostrati, è dovuto sia a motivi prettamente scientifici sia a motivi tecnologici. Lo studio di tali nanomateriali permette infatti l'investigazione di fenomeni completamente nuovi, mentre il loro assemblaggio in nanostrutture offre la possibilità di una loro applicazione in numerosi campi tecnologici.

Numerosi sono i processi utilizzati per la sintesi di materiali nanostrutturati ed in particolare le nanopolveri. Tali processi possono essere suddivisi in tre grandi categorie. I metodi meccanici prevedono la riduzione delle dimensioni delle particelle attraverso sistemi meccanici come la tecnica di “ball-milling”. I metodi liquido-chimici si basano sulla precipitazione di un solido da una soluzione o la conversione chimica di una dispersione colloidale in un corpo gelatinoso (“sol-gel technique”). I metodi di sintesi ad alta temperatura sono numerosi e comprendono le tecniche di evaporazione/condensazione, tecniche di aerosol e sintesi in fiamma. La sintesi ad alta temperatura presenta notevoli vantaggi per la qualità dei materiali sintetizzati sia in termini di purezza che di controllo delle dimensioni. Per il processo di sintesi in fiamma esistono fondamentalmente due metodi per iniettare il precursore: in fase omogenea attraverso un sistema di evaporazione a temperatura controllata oppure, in forma liquida, tramite uno spray. Quest’ultimo metodo offre una maggior flessibilità per quanto riguarda i tipi di precursore che possono essere utilizzati e il controllo delle portate e quindi della quantità di nanopolveri prodotte. Inoltre la scalabilità dei sistemi sperimentali permette di produrre nanopolveri in quantità sufficiente per un uso prototipale da parte di altri gruppi di ricerca.

Il nostro gruppo di ricerca ha messo a punto due tipi di bruciatore per la sintesi di nano polveri di varia composizione come TiO₂, SiO₂, V₂O₃.

Questo bruciatore (fig. 1) consiste in un setto poroso ed una camera di premiscelazione per alimentare una fiamma povera di metano-aria. Assialmente, attraverso un tubicino, vengono iniettati i vapori del precursore diluiti (in genere con azoto). Si ottiene una fiamma di diffusione all’interno di una fiamma premiscelata. Variando il tipo di precursore, la sua portata e la stechiometria della fiamma premiscelata si ottengono nano particelle di varia natura e dimensioni

Per l’utilizzazione di un appropriato sistema di sintesi celle nano particelle è importante sviluppare un sistema di raccolta delle nano polveri. La figura 2 mostra l’apparato sperimentale e due sistemi di prelievo delle nano polveri. In particolare è stata sviluppata una sonda di prelievo raffreddata CSP (cooled sucking probe) che disperde le nano polveri in acqua, o altro apposito liquido, e un condotto per l’espansione rapida e raffreddamento dei gas di combustione, contenenti le nano particelle che vengono raccolte su filtro. In un prossimo future verrà realizzato un precipitatore elettrostatico.  

La tecnica Flame Spray Pyrolysis (FSP) si basa sull’utilizzo di una fiamma spray prodotta da un iniettore assistito da ossigeno posto all’interno di una fiamma pilota. La figura 3 mostra l’ugello per la formazione dello spray. Un capillare (Φint.= 0.3 mm, Φest.= 0.8 mm) è posto all’interno di un ugello (Φ = 1 mm) in modo da formare una apertura anulare. Il precursore e il combustibile, entrambi in fase liquida, sono miscelati e iniettati attraverso il capillare mentre l’ossigeno esce ad alta velocità attraverso l’apertura anulare. Lo spray generato reagisce all’interno di una fiamma pilota metano-aria. La forma dello spray e le dimensioni delle gocce hanno un ruolo determinante sulle dimensioni delle nano particelle.

Le nanoparticelle sintetizzate e raccolte vengono caratterizzate tramite le tecniche TEM, SEM, XRD e FT-IR, per determinare le dimensioni, la morfologia, il loro grado di cristallinità. Le proprietà foto elettrochimiche delle nano particelle sono anche valutate tramite un’apparecchiatura appositamente realizzata.

Le attività di ricerca correnti riguardano:

• Caratterizzazione delle fiamme e studio dei processi di sintesi
• Hybrid flame structure
• Oxides synthesis in hybrid burner
• Experimental correlation between particle size and laser-induced incandescence (LII) time decay in TiO₂ flame synthesis
• Design and characterization of an experimental apparatus for nanoparticles synthesis
• Caratterizzazione delle nanopolveri 

Selection of published papers

• F. Cignoli, C. Bellomunno, S. Maffi, G. Angella, G. Zizak, Use of a hybrid burner for flame synthesis of oxide nanopowders, 3rd European Combustion Meeting, Chania, Crete, April 11-13, 2007
• S. Maffi, F. Cignoli, C. Bellomunno, S. De Iuliis, G. Zizak, Spectral effects in laser induced incandescence application to flame-made titania nanoparticles, Spectrochim. Acta B 63, 202-209 (2008)
• F. Cignoli, S. Maffi, R. Dondè, G. Zizak, G.Solero, I. Brescia, S. Alberti, Design and preliminary characterization o fan experimental set-up for nanoparticles synthesis through flame spray pyrolysis, 32 Annual Meeting of the Combustion Institute, Napoli, April 26-28, 2009
• G. Solero, F. Cignoli, R. Dondè, S. Maffi, G. Zizak, S. Alberti, I. Brescia, Flame spray pyrolysis for sintesi of nanoparticles, XX AIDAA Congress, Milano, June29-July 3, 2009
• F. Cignoli, C. Bellomunno, S. Maffi, G, Zizak, Laser-induced incandescence of titania nanoparticles synthesized in a flame, Appl. Phys. B 96, 593-599 (2009)

Contracts

• Commessa “Diagnostica avanzata per materiali innovativi e sistemi di combustione” del Dipartimento Energia e Trasporti del CNR
• IEA (International Energy Agency) Implementing Agreement on Energy Conservation and Emission Reduction in Combustion” nel collaborative task “Nanoparticle Diagnostics”
• GDRE “Energetic and Safety of Hydrogen”
• Le attività di ricerca sono state finanziate dal contatto FIRB RBAU01K749
• Una richiesta di finanziamento PRIN è in fase di valutazione

Contatti

• Dr. Silvana De Iuliis, tel. +39 02 66173 297
• Dr. Silvia Maffi, tel. +39 02 66173 303
• Dr. Francesca Migliorini, tel. +39 02 66173 384
• Dr. Barbara Vercelli, tel. +39 02 66173 314
• Enio Fantin, tel. +39 02 66173 221
• Dr. Giorgio Zizak (associato), tel. +39 02 66173 304