Doped titanium dioxide-nickel phosphorus composite coatings for disinfection applications

The aim of the thesis project is to study the antibacterial activity of a Nickel Phosphorous composite coating with dispersed TiO2 nanoparticles. The first part is focused on the development of the Ni-P samples on a brass substrate, with the addition of different quantities of TiO2 nanoparticles in the bath solution. A surfactant, the CTAB has been added for high TiO2 concentrated solution. In the second part the antibacterial activity has been investigated with the oxidation of small organic molecules. The results show an increment of the oxidation current for the samples that had higher concentration of TiO2 in the bath solution. Furthermore the addition of CTAB, in high TiO2 bath solution, shows a further growth on the oxidation ability of the coating. The photocatalytic properties have been investigated, with the use of a visible solar power simulator “NOVA”. However, no clear effect of visible light has been shown for the oxidation ability of small organic molecules. This is probably due to the absence of photocatalytic activity of the doped TiO2 nanoparticles at the specific wavelength that “NOVA“ has been able to produce. However it was possible to observe the photocatalytic effect in the comparison between the tests made in no-light environment and the ambient light.

L'obiettivo principale di questa tesi è stato quello di studiare le proprietà disinfettanti del rivestimento composito in nichel-fosforo con nanoparticelle di TiO2, depositato con la tecnica di deposizione “electroless autocatalitica”. La titania, presente nel rivestimento sotto forma di nanoparticelle, è un materiale noto per avere proprietà catalitiche, che portano ad una più facile ossidazione di composti organici per mezzo dell’attivazione della luce solare. Per questa sue eccellenti proprietà, viene difatti usata in svariati campi; per esempio per la purificazione dell’acqua, nelle vernici, nei pavimenti, per il miglioramento atmosferico o per l’abbattimento degli odori. La prima parte del lavoro è stata incentrata sulla preparazione dei campioni di Ni-P con l’aggiunta di diverse quantità di TiO2 nella soluzione di deposizione. Si è visto come con alte concentrazioni di particelle, la soluzione diventa instabile portando alla degradazione del bagno. Per questo motivo è stato aggiunto nella soluzione un tensioattivo, il CTAB, che oltre ad avere un effetto stabilizzante ha anche dei benefici per quanto riguarda la morfologia (superficie meno rugosa) ed una migliore distribuzione delle nanoparticelle nel rivestimento. La caratterizzazione morfologica, la composizione chimica e la microstruttura dei campioni è stata analizzata utilizzando le tecniche XRD, XRF e SEM per valutare l’effettiva riuscita della co-deposizione; risultando in un deposito compatto e ben disperso. Nella seconda parte dello studio sono state indagate le proprietà antibatteriche tramite l’ossidazione elettrochimica di piccole molecole organiche, glucosio e urea (in luce ambientale) per osservare se, e come, queste proprietà variavano al cambiare della quantità di TiO2 contenuta nel rivestimento. I risultati mostrano un’ intensificazione della corrente di ossidazione per i campioni che presentavano una maggiore concentrazione delle particelle di TiO2 nella soluzione di deposizione, in particolare il campione con la concentrazione di 5g/l di TiO2, presenta tendenzialmente i valori più alti di corrente di ossidazione. Inoltre, l’aggiunta del tensioattivo CTAB nelle soluzioni contenenti un’ elevata concentrazione di TiO2, mostra un ulteriore crescita nella capacità di ossidazione della superficie del rivestimento, in particolare per il campione da 15g/l di TiO2 e 150mg/l di CTAB, i cui valori sono perfino superiori al 5g/l di TiO2 sopracitato. La TiO2 ha un “energy gap” nell’ultravioletto, ma se opportunamente drogata può presentare una leggera attività in una piccola frazione del visibile. Per questo motivo, come ultima caratterizzazione, sono state indagate le proprietà fotocatalitiche della TiO2 dopata, tramite l’utilizzo di un simulatore di luce visibile solare “NOVA”. L’allestimento utilizzato per testare queste proprietà è il medesimo sopracitato, tramite l’ossidazione di glucosio e urea, è stata però introdotta una nuova variabile, la luce visibile. Questo esperimento è stato confrontato con delle prove effettuate in buio completo, tuttavia, non è stato mostrato alcun effetto della luce visibile nella capacità di ossidazione delle molecole organiche. Questo è probabilmente dovuto all’assenza di attività fotocatalitica delle nanoparticelle di TiO2 dopate alla specifica frequenza della luce prodotta dal “NOVA”. Invece, si è potuta notare una migliore risposta fotocatalitica confrontando le prove effettuate in luce ambientale (senza nessun equipaggiamento aggiuntivo) con quelle in buio. L’effetto della luce è quindi evidente, anche se non è stato trovato il giusto allestimento per studiare nei dettagli questo fenomeno.