Design di Cluster a base titanio e Metal Organic Frameworks (MOFs) da esso derivati per applicazioni ambientali

Abstract

Il seguente lavoro di tesi ha riguardato il design di cluster a base titanio e Metal Organic Frameworks (MOFs) da esso derivati per degradazione di contaminanti organici emergenti, una grande classe di composti di uso comune potenzialmente nocivi per l’ambiente e la salute umana che ad oggi non sono rimossi dai comuni sistemi di depurazione delle acque. I composti a base titanio hanno catturato l’attenzione della comunità scientifica per le loro proprietà fotocatalitiche, tra questi il capostipite è il TiO2, già ampiamente utilizzato nella fotodegradazione di composti organici. I MOFs sono invece una vasta famiglia di composti di coordinazione cristallini, costituiti da nodi inorganici coordinati da linkers organici e caratterizzati da elevato ordine reticolare ed elevata porosità. Da qui è nata l’idea di combinare le due famiglie di composti, nel tentavo di ricavare MOFs a base titanio con proprietà fotocatalitiche, o catalitiche in generale, ovvero composti porosi adatti alla degradazione di inquinanti in soluzione. Nello specifico siamo partiti dal poliosso-titanio cluster PTC-3, già presente in letteratura e avente stechiometria [Ti6O4(OiPr)10(O3P-Phen)2(INA)2] formato da un core centrale Ti6P2 e lo abbiamo anzitutto funzionalizzato con Ag nel tentativo di migliorarne le proprietà ottiche. I campioni così ottenuti sono stati usati in test di adsorbimento e abbattimento di blu di metilene (MB), impiegato come inquinante modello. Nella seconda parte della tesi ci siamo concentrati sull‘evoluzione dimensionale del cluster PTC-3, cercando di ottenere MOFs attraverso sostituzione delle funzionalità organiche del cluster con differenti ligandi organici bidentati. I campioni sintetizzati sono stati sottoposti a caratterizzazione con PXRD, FTIR, DRS, TEM, DSC, TGA e BET. Lo studio ha evidenziato le potenzialità catalitiche di questi composti, ma anche le difficoltà incontrate, specie nell’ottimizzazione della loro sintesi.

The following work deals with the design of titanium-based clusters and Metal Organic Frameworks (MOFs) derived from them for the degradation of organic pollutants in water. Titanium-based compounds, such as TiO2, have grabbed the attention due to their photocatalytic properties, which have recently been proposed for the photooxidation of emerging pollutants in wastewater. Emerging pollutants represent a novel class of well-known molecules, frequently used by the population but identified as potentially hazardous to human health and the environment. Meanwhile, Metal Organic Frameworks (MOFs) are a promising class of highly ordered porous materials made up of metal clusters bound to each other by organic linkers. Therefore, we decided to combine Ti-based compounds and MOFs to obtain a new material with photocatalytic or generally catalytic properties capable of oxidizing pollutants in water. In other words, we started from a polyoxo-titanium cluster already present in the scientific literature, the PTC-3 cluster, which has the stoichiometric formula [Ti6O4(OiPr)10(O3P-Phen)2(INA)2] and consists of a Ti6P2 core. Initially, we functionalized it with Ag nanoparticles to provide optical properties, and then tested these samples for methylene blue (MB) adsorption and degradation. Methylene blue is a common dye chosen as a standard pollutant. A second part of this work involved the dimensional development of the PTC-3 cluster, aiming to obtain MOFs by replacing organic functionalities with different cross-linkers. In particular, L-Aspartic acid, 1,5-pyridincarboxylic acid, and 2-aminoterephthalic acid were tested. The synthesized samples were characterized using PXRD, FTIR, DRS, TEM, DSC, TGA, and BET analysis. This study highlighted the catalytic properties of these compounds but also the challenges faced, especially during the synthesis step, due to the complexity of rearrangements in titanium-based MOFs.