Electrochemical production of self-standing TiO2 membranes for advanced water purification

Water scarcity is one of the most pressing challenges facing modern society, as climate change and environmental pollution are increasingly stressing global freshwater resources. In this context, the focus of the scientific community is shifted towards the development of novel energy-efficient technologies for advanced water purification. Under these conditions, the COPE project proposed an innovative interfacial solar evaporator based on photocatalysis for clean water production free from organic contaminants. This thesis aimed to investigate the fabrication and photocatalytic performance of free-standing TiO2 nanotubular membranes that will be integrated into such systems. TiO2 nanotubular layers were synthesized either through a multi-step electrochemical oxidation under galvanostatic conditions or via a single-step potentiodynamic anodization process. Visual characterization tests were conducted after each anodization step to assess the formation of defects and the structural integrity of the oxide layer. The outcomes from these experiments evidenced that electrolyte aging, through variations of pH value, temperature, and viscosity, promotes non-uniform morphologies and a fragile structure. These findings highlight the importance of electrolyte management to guarantee the reproducibility and reliability of the synthesis process. Photocatalytic degradation tests confirmed the ability of TiO2, both as free-standing membranes and anodized Ti substrate, to degrade the organic dye present in aqueous solution. In the final part of the thesis work, additional photocatalytic experiments were carried out to analyze the enhancement in photodegradation activity achieved by loading titania nanotubes with semiconductor quantum dots through the drop-casting technique. The improvement is attributed to the synergistic interaction between the photocatalyst and the photoabsorber when both are implemented in the same system. The results confirmed the enhancement in photocatalytic performance for both membranes and anodized substrates functionalized with core-shell and core-only quantum dots.

La scarsità d’acqua è uno dei problemi più urgenti che affliggono la società moderna, poiché il cambiamento climatico e l’inquinamento ambientale deteriorano ulteriormente le risorse idriche globali. In questo contesto, l’attenzione della comunità scientifica è incentrata sullo sviluppo di tecnologie innovative a basso consumo energetico per la depurazione avanzata dell’acqua. Seguendo queste condizioni, il progetto COPE ha proposto un evaporatore solare interfacciale moderno basato sulla fotocatalisi per la produzione di acqua potabile senza inquinanti organici. L’obiettivo di questa tesi era di analizzare la realizzazione e il comportamento fotocatalitico di membrane nanotubulari autoportanti di biossido di titanio che verranno integrate in questi sistemi. Gli strati nanotubulari di biossido di titanio sono stati sintetizzati tramite ossidazione elettrochimica multifase in condizioni galvanostatiche oppure mediante anodizzazione potenziodinamica a singolo stadio. Sono state effettuate verifiche visive dopo ogni singola anodizzazione per controllare la formazione di difetti e l’integrità strutturale. Gli esiti di questi esperimenti hanno evidenziato come l’invecchiamento dell’elettrolita possa promuovere la crescita di geometrie non uniformi e di strutture fragili attraverso variazioni nel valore del pH, nella temperatura, e nella viscosità. Questi risultati dimostrano l’importanza nella supervisione dell’elettrolita per garantire un processo di sintesi riproducibile e affidabile. Le prove di degradazione tramite fotocatalisi hanno confermato la capacità del biossido di titanio, sia in forma di membrana autoportante che di strato di titanio anodizzato, nel degradare un colorante organico mischiato in una soluzione acquosa. Nella parte finale di questa tesi, ulteriori esperimenti sulla fotocatalisi sono stati condotti per analizzare il miglioramento nell’abilità di fotodegradazione ottenuto dopo aver applicato sui nanotubi di titania dei quantum dots tramite tecnica di deposizione a goccia. Questo potenziamento è dovuto all’interazione sinergica tra il fotocatalizzatore e il materiale fotoassorbente quando entrambi vengono implementati nello stesso sistema. I risultati hanno confermato l’ottimizzazione del processo di fotocatalisi sia per le membrane che per strati anodizzati dopo l’introduzione di quantum dots di tipo core-shell e core-only.