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Materiali Porosi
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- Arletti Rossella (Responsabile)
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Settore ERC
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Le zeoliti sono silicati idrati naturali e di sintesi caratterizzati da strutture porose utilizzati in campo industriale come setacci molecolari, scambiatori ionici, disidratanti e catalizzatori eterogenei e in campo agricolo come ammendanti dei suoli. Tali applicazioni sono basate sulla loro tipica struttura che consiste di un framework alluminosilicatico con cavità e canali di varie dimensioni che ospitano cationi, molecole d'acqua e/o altre molecole organiche. Poiché la conoscenza dettagliata del loro comportamento termico e del processo di disidratazione è essenziale per le loro applicazioni industriali, sono state studiate, tramite esperimenti di diffrazione (utilizzando radiazione di sincrotrone) la stabilità termica e le trasformazioni strutturali indotte dalla disidratazione in varie fasi zeolitiche.
Framework zeolitici: chabasite
Framework zeolitici: ferrierite
Alcune delle proprietà delle zeoliti: proprietà catalitiche
Scambio cationico
Anche lo studio degli effetti della pressione su fasi zeolitiche è essenziale per verificare come si deformano le cavità di tali materiali, come si riarrangiano o si mobilizzano le specie extraframework nel sistema di canali, a quale pressione il materiale si amorfizza e se tale processo è reversibile in seguito a decompressione. Tali cambiamenti strutturali infatti possono indurre profonde modificazioni nelle proprietà fisiche e quindi rendere questi materiali utili per nuove e specifiche applicazioni. Per gli studi in alta pressione si utilizza un approccio combinato di metodi sperimentali (diffrazione X in-situ su polveri, utilizzando radiazione di sincrotrone) e metodi teorici (dinamica molecolare). Gli studi sulle zeoliti in alta pressione sono in genere condotti in celle ad incudini di diamante (DAC) sia con mezzi di trasmissione della pressione che, per le dimensioni delle molecole, risultano non penetranti nelle porosità zeolitiche (silicone oil) sia con mezzi penetranti (miscele acqua: alcool). L' utilizzo di mezzi penetranti ha recentemente aperto la strada ad una serie si ricerche volta alla comprensione dei fenomeni di organizzazione di molecole organiche (e non) una volta che esse siano confinate all'interno di canali zeolitici, cioè sotto l'effetto combinato di pressione esterna, confinamento morfologico e vincoli spaziali.
ESRF - The European Syncrotron - Grenoble
Cella ad Incudini di Diamante (DAC)
Tale ricerca, a partire dal 2017 è finanziata dal progetto PRIN. ZAPPING (www.zapping-prin.it). Lo scopo di tale ricerca è indurre reazioni all'interno di cavita zeolitiche con la sola applicazione di alta pressione.
Il primo target del progetto è quello di realizzare polimeri monodimensionali conduttivi, protetti dagli agenti esterni e dall'umidità dell'ambiente, da sfruttare nel campo del Gas Sensing.
Il secondo scopo è quello di indurre la formazione di catene peptidiche lineri partendo da aminoacidi inattivati: un percorso di sintesi mai sperimentato prima.
Le catene peptidiche e i polimeri conduttivi saranno realizzati in conseguenza dell'effetto sinergico della pressione e dei vincoli geometrici imposti dalla struttura zeolitica, evitando così l'uso di attivatori e catalizzatori. Scopo di questo lavoro, oltre ad indurre la reazione è quello di monitorare il processo e di interpretarlo a livello strutturale mediante indagini strutturali in situ.
(immagine tratta da Santoro et al 2013, Chemistry of Materials)
Lo scopo di tale linea di ricerca è quello di indagare - dal punto di vista strutturale - la penetrazione indotta dalla pressione di soluzioni elettrolitiche in materiali microporosi. L'obiettivo finale è il miglioramento delle prestazioni energetiche dei sistemi costituiti da materiali microporosi- "non wetting fluids" attualmente utilizzati nell'immagazzinamento di energia meccanica. Durante l'intrusione forzata di un "non wetting fluid" all'interno dei micropori di una zeolite, l'acqua bulk viene trasformata in una moltitudine di cluster molecolari con un'elevata energia interfacciale. L'energia meccanica trasformata in energia interfacciale è proporzionale volume intruso e alla pressione di intrusione. A seconda delle caratteristiche del sistema (presenza di difetti nella struttura zeolite, dimensione e tipo di pori e dimensionalità dei canali, tipo di fluido intruso), quando la pressione viene rilasciata (estrusione) l'energia meccanica fornita durante la fase di compressione puo venire dissipata, partzialmente assorbita o rilasciata. Comprendere a fondo le iterazioni tra le specie intruse e il framewrok delle zeoliti utilizzate aiutera nella progettazione di sistemi con capacità energetiche e di ripristino/dissipazione di energia desiderate.
Studio strutturale di intrusione di una soluzione elettrolitica MgCl2 21H2O in una Ferrierite silicatica
(Arletti et al 2015, Microporous and Mesoporous Materials, 235, 253-260)
Questa linea di ricerca è dedicata allo studio e all'interpretazione strutturale dell'assorbimento di CO2 in zeoliti sintetiche.
La separazione della CO2 da altri gas leggeri è stata ampiamente praticata in passato. In particolare, gran parte del lavoro riguardava la separazione di CO2 dal metano per la purificazione del gas naturale. Più recentemente, è stata data grande attenzione alla separazione di CO2 dai gas di combustione associati ai processi di combustione. Tale interesse è direttamente collegato all'importanza della CO2 come gas a effetto serra, strettamente legata ai cambiamenti climatici globali. E stata recentemente dimostrata un'elevata alta capacità di adsorbimento verso NO, CO, H2O NH3 da parte di zeoliti Y. Tale capacita puo essere sfruttata, oltre che per scopi ambientali, anche per applicazioni biomediche. Infatti, attualmente l'uso di nanocristalli di zeoliti Y come carriers di gas (O2 e CO2) all'interno di cellule tumorali (tumore del cervello) è in fase di studio e sta dando ottimi risultati (Project ZEOXY, Region Normandy, Emergent, 2015-2016, ref Prof. Svetlana Mintova, UniCaen).
Interpretare a livello strutturale le iterazioni dei gas con il frame work zeolitico e capirne le modalità di adsorbimento e di rilascio è di fondamentale importanza per realizzare materiali adsorbenti con le caratteristiche desiderate (eg velocita di adsorbimento/capacità di rigenerazione per scopi ambientali; capacita di adsorbimento/velocità di rilascio per sistemi biomedici)
Cluster di CO2 in zeolite Y
(Arletti et al. 2016 Microporous and mesoporous materials, 228, 248-255)
Tale ricerca, a partire dal 2013 è finanziata dal progetto FIRB FUTURO IN RICERCA 2012 ImPact: Impose Pressure and Change Technology (RBFR12CLQD) (www.impact-firb.it).
Lo studio e la comprensione del comportamento delle molecole e dei materiali quando vengono contemporaneamente sottoposti a elevata pressione, confinamento spaziale e vincoli morfologici significa progresso per le scienze di base e potenziali ricadute di grande impatto tecnologico. Questa ricerca si pone lo scopo di sfruttare questo regime di "iper-confinamento" per creare organizzazioni supramolecolari, con il duplice obiettivo di produrre nuovi nanosistemi di morfologia controllata e di esaltare le proprietà funzionali di questa classe di materiali di estremo interesse per la tecnologia del presente e del futuro. I sistemi iper-confinati sono stati realizzati mediante una semplice ed innovativa strategia "bottom-up", partendo da molecole disciolte in mezzi liquidi e successivamente "iniettate" in cavità zeolitiche tramite pressioni fino a 10 GPa. La peculiarità delle zeoliti di comportarsi come "stampi" cristallini resistenti alla pressione è sfruttata per forzare l'aggregazione e l'organizzazione delle molecole in cavità zeolitiche di forma specifica.
Organizzazione di molecole di acqua ed etanolo in una ferrierite silicatica
(Arletti et al 2017, Angew.Chem. Int.Ed.2017, 56,2105-2109)
Negli ultimi anni gli ibridi "host-guest" colorante-zeolite hanno attratto grande attenzione. In virtù delle loro peculiari proprietà ottiche, dovute all'arrangiamento ordinato di molecole fotosensibili nei canali della zeolite, e della loro notevole stabilità chimica, sono impiegati per la produzione di sistemi-antenna artificiali, gerarchicamente organizzati fino alla macroscala, oppure, grazie alla loro biocompatibilità, utilizzati come "marker" di cellule tumorali in vivo. Le proprietà degli ibridi colorante-zeolite dipendono dal grado di impacchettamento delle molecole all'interno dei canali, che determina a livello microscopico le interazioni intermolecolari e le interazioni con l'impalcatura tetraedrica. Lo studio strutturale di tali compositi è stato fino ad ora affrontato principalmente mediante spettroscopia (UV-vis) e calcoli di Dinamica Molecolare. Nell' ambito del progetto di ricerca FIRB, è stato affrontato lo studio strutturale di diversi sistemi ibridi zeolite +colorante ampiamente utilizzati nei sistemi antenna artificiali. Gli studi sono stati condotti mediante diffrazione X con luce di sincrotrone su ibridi con contenuti diversi di molecole ospiti, sintetizzati ad hoc in laboratorio, con lo scopo di verificare le variazioni delle proprietà ottiche con il grado di impacchettamento del materiale.
Molecole di fluorenone in zeolite L
(Gigli et al. 2014 Journal of Physical Chemistry C, 118, 15732−15743)
Prodotti della ricerca
Arletti, R., Ferro, O., Quartieri, S., Sani, A., Tabacchi, G., Vezzalini, G. (2003): Structural deformation mechanisms of zeolites under pressure. American Mineralogist, 88, 1416-1422.
Fois, E., Gamba, A., Tabacchi, G., Arletti, R., Quartieri, S., Vezzalini, G. (2005): The "template" effect of the extra-framework content on zeolite compression: the case of Yugawaralite at high pressure. American Mineralogist, 90, 28-35,
Arletti, R., Galli, E., Vezzalini, G., Wise, W. S. (2005): Mazzite-Na, a new zeolite from Boron, California: its description and crystal structure. American Mineralogist, 90, 1186-1191.
Fois, E., Gamba, A., Tabacchi, G., Quartieri, S., Arletti, R., Vezzalini, G. (2005): High-pressure behaviour of yugawaralite at different water content: an ab initio study. In: Oxide Based Materials. (Gamba, A., Colella, C. and Coluccia, S. eds.) Studies in Surface Science and Catalysis series, vol. 155, 271-280.
Arletti, R., Mazzucato, E., Vezzalini, G. (2006): Influence of dehydration kinetics on the T-O-T bridge breaking in zeolites with framework type STI: the case of stellerite. American Mineralogist, 91, 628-634.
Morsli, A., Driole, M.F., Cacciaguerra, T., Arletti, R., Chiche, B., Hamidi, F., Bengueddach, A., Quignard, F. Di Renzo, F. (2007): Microporosity of the amorphous aluminosilicate precursors of zeolites: the case of the gels of synthesis of mordenite. Microporous and Mesoporous Materials, 104, 208-216.
Fois, E., Gamba, A., Medici, C., Tabacchi, G., Quartieri, S., Mazzucato, E., Arletti, R., Vezzalini. G., Dmitriev V. (2008): High pressure deformation mechanism of Li-ABW: synchrotron XRPD study and ab-initio molecular dynamic simulations. Microporous and Mesoporous Materials, 115, 267-280.
Arletti, R., Gualtieri A.F., Di Renzo, F. (2008): In situ study of dehydration of ECR1: Na-as synthesized and NH4-exchanged in comparison in Studies in Surface Science and Catalysis, Zeolites and related materials, Trend, target and challenges, 174, 901-904.
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Martucci, A., Pasti, l., Nassi, M., Alberti, A., Arletti, R., Bagatin, R., Vignola, R., Sticca, R., (2012): Adsorption mechanism of 1,2-dichloroethane into an organophilic zeolitemordenite: A combined diffractometric and gas chromatographic study. Microporous and Mesoporous materials, 151, 358-367.
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Arletti, R., Martucci, A., Alberti, A., Pasti, L., Nassi, M., Bagatin, R. (2012): The location of MTBE and toluene in the channel system of the zeolite mordenite: adsorption and host-guest interactions. Journal of Solid State Chemistry, 194, 135-142
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Arletti, R., Mugnaioli, E., Kolbe, U., Di Renzo, F. (2014): MZ-35, a new layered pentasil borosilicate synthesized in the presence of large alkali cations. Microporous and mesoporous materials, 189, 64-70.
Arletti R., Vezzalini, G, Quartieri, S. Di Renzo, F. Dmitriev, V. (2014): Pressure-induced water intrusion in FER-type zeolites and influence of the extraframework species on the structural deformations. Microporous and Mesoporous materials,191, 27-37.
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Lotti, P., Arletti, R., Gatta, G.D., Quartieri, S., Vezzalini, G., Merlini, M., Dmitriev, V., Hanfland, M. (2015): Compressibility and crystal-fluid interactions in all-silica ferrierite at high pressure. Accepted, Microporous and Mesoporous materials, 218, pp. 42-54
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Pansini, M., Dell'Agli, G., Marocco, A., Netti P.A., Battista, E., Lettera, V., Vergara, P., Allia, P., Bonelli, B., Tiberto, P., Barrera, G., Alberto, G., Martra, G., Arletti, R., Esposito, S. (2017): Preparation and Characterization of Magnetic and Porous Metal-Ceramic Nanocomposites from a Zeolite Precursor and Their Application for DNA Separation, Journal of Biomedical Nanotechnology, 13, 1-12, 2017.
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Sahoo,T.R., Armandi, M., Arletti, R., Piumettim M., Bensaid, S., Manzoli, M., Panda, S.R., Bonelli, B. (2017) Pure and Fe-doped CeO2 nanoparticles obtained by microwave assisted combustion synthesis: physico-chemical properties ruling their catalytic activity towards CO oxidation and soot combustion, Applied Catalysis B: Environmental. doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.04.032
(P61) Fantini, R., Arletti, R., Pastero, L., Quartieri, S., Di Renzo, F., Camara, F., Vezzalini, G. (2017) Structure of natural and NH4-exchanged Sasbach faujasite: a single crystal study European Journal of Mineralogy
Polisi, M., Arletti, R., Quartieri, S., Pastero, L., Giacobbe, C., Vezzalini, G. (2017) Dehydration mechanism of AlPO4-5: a high-resolution synchrotron Xray powder diffraction study, Microporous and Mesoporous Materials,
Polisi, M., Arletti, R., Martra, G., Morandi, S., Fabbiani, M., Quartieri, S., Pastero, L., Vezzalini, G. (2017) Zeolite/dye hybrid composites: organization of photoactive azobenzene molecules inside AlPO4-5, Physical Chemistry Chemical Physics
Gigli, L., Arletti, R., Fois, E., Tabacchi, G., Fabbiani, M., Vitillo, J.G, Martra, G., Devaux, A., Miletto, I.,Quartieri, S., Calzaferri, G. (2017) Structure and Host-Guest Interactions of Perylene-Bisimide Dyes in Zeolite L Nanochannels, Journal of Chemical Physics C.
Progetti legati alla ricerca.
Progetto Ex-60% Ricerca Locale Università di Torino 2017: HIPPO: High pressure on porous materials: new applications for new technologies. Durata:24 mesi
PRIN 2015 (MIUR): ZAPPING. High-pressure nanoconfinement in Zeolites: the Mineral Science know-how APPlied to engineerING of innovative materials for technological and environmental applications. Coordinatore Nazionale: Rossella Arletti. Budget totale: 515K€
FIRB Futuro in Ricerca 2012 (MIUR): ImPACT: Impose Pressure And Change Technology. Coordinatore Nazionale: Prof. Giacomo Diego Gatta (Università degli Studi di Milano). Durata: 36 mesi. Finanziamento totale 674K€ Finanziamento unità di Torino: 200K€