characterization of titanium dioxide coatings for self-cleaning surfaces

This dissertation presents the development and evaluation of titania-based self-cleaning coatings, which, with proper formulations can be environment-friendly, transparent, highly adherent to the substrate, and can be deposited on any surface [1]. The primary objective of this study is to investigate the photocatalytic and wettability properties of TiO2-based coatings and their potential for creating self-cleaning surfaces that require less frequent cleaning and are easier to clean when needed. Chapter 1 delves into the theory behind the self-cleaning mechanism, focusing on the photocatalytic and wettability properties of titanium dioxide. The chapter also introduces the anodization and sol-gel method for the production of TiO2 coatings. Chapter 2 is dedicated to the employed materials and methods for the synthesis and characterization of the analyzed coatings, which are developed through sol-gel method and characterized by XRD and SEM. The photocatalytic activity of the coatings is evaluated through degradation tests of rhodamine B, whose results, commented in Chapter 3, indicate that the TiO2-based coatings exhibit moderate photocatalytic activity, provided that the solutions are aged for at least four months. Furthermore, the coatings demonstrate self-cleaning properties thanks to their hydrophilic behavior, effectively repelling dirt when exposed to abundant precipitation. The study also investigates the influence of solvent, substrate, deposition method, and calcination temperature on the coatings’ properties and performance. Additionally, the photocatalytic properties of coatings obtained through sol-gel and anodization methods were evaluated in collaboration with Università degli Studi di Milano Statale. The effectiveness of the coatings was tested through degradation experiments of tetracycline, a broad-spectrum antibiotic. Results indicate that both methods yield coatings able to degrade tetracycline, with the anodization method showing better performance and sample reusability, providing a more sustainable solution for wastewater treatment.

La tesi presenta lo sviluppo e la caratterizzazione di rivestimenti autopulenti a base di ossido di titanio, che, con specifiche formulazioni, possono esser ecocompatibili, trasparenti, aderenti al substrato, e possono rivestire qualunque tipo di superficie [1]. L’obiettivo primario dello studio è indagare le proprietà fotocatalitiche e di bagnabilità dei rivestimenti necessarie per rendere le superfici autopulenti, che quindi richiederebbero una pulizia meno frequente e sarebbero più semplici da pulire. Il primo capitolo è dedicato alla teoria dei rivestimenti autopulenti, e approfondisce le proprietà fotocatalitiche e di bagnabilità dell’ossido di titanio. Il capitolo introduce anche l’anodizzazione e il metodo sol-gel per la produzione dei rivestimenti. Il Capitolo 2 è dedicato ai materiali e metodi necessari per la sintesi e caratterizzazione dei rivestimenti, che sono stati prodotti tramite metodo sol-gel e sono caratterizzati mediante diffrazione a raggi X e microscopia elettronica a scansione. L’attività fotocatalitica dei rivestimenti è valutata tramite test di degradazione della rodamina B, i cui risultati, riportati nel terzo capitolo, indicano che i rivestimenti mostrano una moderata attività fotocatalitica, a condizione che le soluzioni siano invecchiate per almeno quattro mesi. Inoltre i rivestimenti presentano, grazie al comportamento idrofilico, proprietà autopulenti, poichè rimuovono efficacemente depositi organici sfruttando l’azione della pioggia. Lo studio esamina anche l’influenza del solvente, substrato, metodo di deposizione, e temperatura di calcinazione sulle proprietà ed efficacia dei rivestimenti. Oltretutto, in collaborazione con l’Università degli Studi di Milano Statale, sono state confrontate le proprietà fotocatalitiche di rivestimenti ottenuti tramite metodo sol-gel e anodizzazione. L’efficacia dei rivestimenti è stata esaminata tramite test di degradazione di un antibiotico ad ampio spettro: la tetraciclina. I risultati indicano che benchè entrambi i tipi di rivestimento siano efficaci nel degradare l’antibiotico, quelli ottenuti tramite anodizzazione mostrano prestazioni maggiori. Inoltre il rivestimento ottenuto tramite anodizzazione ha mantenuto la medesima attività fotocatalitica nei test di ripetibilità, consentendo il riutilizzo del campione e fornendo una soluzione più sostenibile per il trattamento delle acque reflue.