Synthesis optimization of Ni single-atom catalysts supported on carbon nitride nanosheets

The catalysis is a pioneering field in the fight against the climate problems. The single atom catalysts (SACs) are the main characters from this point of view. Their ability to employ the whole active phase during a chemical reaction, combined with their easy separation and recyclability, make them crucial for a transition towards a less impacting society. They show many fascinating properties, but they still require study and research in order to be able to provide their all potential. There already are several support materials that can be used for the synthesis of SACs, but some other are being investigated in order to have scaffolds with higher ability of hosting and trapping the active phase atoms. From this point of view, the carbon nitride has shown promising properties. The presence of the nitrogen that unsure a strong metal-support bond, and the ability of the carbon nitride to be used in photocatalytic and electrocatalytic reactions, make it a good candidate not only for the synthesis of SACs but also for their diffusion in a wide range of applications. It can be easily synthesized starting from cheap reactants, making it suitable also for a scale up on an industrial level. But the SACs, being pretty new materials, still present some limitations. In particular, their synthesis and characterization need improvements. For this reason, this work focuses on the investigation of the synthesis of Ni@nCNx SAC. The support has been produced through a calcination process, and a subsequent wet impregnation used to deposit and stabilize the single metal atoms. The wet impregnation has been preferred on other techniques due to its simplicity and scale up possibility. In the current work, an analysis of each parameter that influences the synthesis has been carried out. All the materials have been subsequently analysed with several characterization techniques. That pointed out the differences between the synthesis conditions, thus suggesting some guidelines for the synthesis of that materials. All the catalysts synthesized in this work will be further analysed in order to construct a structure-function relationship.

La catalisi è un campo pioniere nella lotta contro i problemi climatici. I catalizzatori ad atomo singolo sono protagonisti da questo punto di vista. La loro abilità nell’utilizzare per intero la fase attiva durante una reazione chimica, insieme con la possibilità di essere separati e riciclati in modo semplice, li rendono cruciali nella transizione verso una società meno impattante. I catalizzatori ad atomo singolo mostrano tante proprietà affascinanti, ma hanno ancora bisogno di studio e ricerca per poter operare tutto il loro potenziale. Ci sono già disponibili vari supporti che possono essere utilizzati per la sintesi dei catalizzatori ad atomo singolo, ma altri sono studiati per avere supporti con una più alta abilità di ospitare ed intrappolare gli atomi della fase attiva. Da questo punto di vista, il nitruro di carbonio ha mostrato proprietà promettenti. La presenza dell’azoto che assicura forti legami tra il metallo ed il supporto, e l’abilità del nitruro di carbonio di essere utilizzato in reazioni fotocatalitiche ed elettrocatalitiche, lo rendono un buon candidato non solo per la sintesi dei catalizzatori ad atomo singolo, ma anche per la loro diffusione in un ampio raggio di applicazioni. Il nitruro di carbonio può essere facilmente sintetizzato a partire da reagenti economici, rendendolo anche adatto per uno scale up ad una scala industriale. Ma i catalizzatori ad atomo singolo, essendo materiali piuttosto nuovi, presentano ancora qualche limitazione. In particolare, le loro sintesi e caratterizzazione richiedono miglioramenti. Per questo motivo, questo lavoro si concentra nello studio della sintesi del catalizzatore ad atomo singolo Ni@nCNx. Il support è stato prodotto attraverso il processo di calcinazione, seguito da una wet impregnation utilizzata per depositare e stabilizzare i singoli atomi del metallo. La wet impregnation è stata preferita ad altre tecniche grazie alla sua semplicità e possibilità di scale up. In questo lavoro, l’analisi di ogni parametro che influenza la sintesi è stata realizzata. Tutti i materiali sono stati poi analizzati con diverse tecniche di caratterizzazione. Ciò ha mostrato le differenze tra le diverse condizioni di sintesi, suggerendo alcune linee guida per la sintesi di questi materiali. Tutti i materiali sintetizzati in questo lavoro verranno maggiormente analizzati per costruire una relazione struttura-funzione.