Sintesi, Caratterizzazione e Applicazioni di Carbon Nanodots

Recently, Carbon Nanodots emerged as a nanomaterial with attractive physicochemical properties such as photoluminescence, aqueous solubility, ease of functionalization, photostability and biocompatibility. Owing to these characteristics, Carbon Nanodots could be conveniently employed in several fields ranging from biology to catalysis. This Thesis is focused on the investigation of the surface properties of Carbon Nanodots prepared from different precursors and synthetic approaches, facilitating and demonstrating their application in organocatalysis and photonic devices. In chapter 1 an overview of the synthetic and purification methodologies of Carbon Nanodots is presented, in addition to their physical-chemical characteristics. A brief discussion on their potential applications is also reported. In chapter 2 the surface properties of different Carbon Nanodots are presented. In particular, the focus is on nitrogen-doped Carbon Nanodots. In collaboration with the group of Prof. Marcella Bonchio at the University of Padova, their superficial amino-groups were exploited to perform aminocatalytic transformations in water. In chapter 3 a family of nitrogen-doped Carbon Nanodots is described. The novel materials have been synthesized from amino-rich precursors via both mono- and multi-component approaches. The nanomaterials were characterized by means of spectroscopic, morphological, and analytical techniques. Subsequently, their catalytic performances were compared toward an aldol reaction model. In chapter 4 are presented chiral nitrogen-doped Carbon Nanodots prepared via one-step synthesis, i.e. without employing post-functionalization reactions with chiral agents. Starting from nitrogen-rich precursors, a pair of nanoparticles with intrinsic chirality (enantiomers) were obtained, as well as their meso counterpart. Finally, in chapter 5 the solid-state luminescence of Carbon Nanodots embedded in several matrices (polymeric, silica, and aminosilane) was explored. The application of Carbon Nanodots composites was demonstrated as pH-sensors, in addition to their use as additives for solar cells and light-emitting diodes.

Recentemente i Carbon Nanodots – nanoparticelle a base di carbonio – si sono affermati come nuova tipologia di nanomateriale. Essi mostrano proprietà chimico-fisiche molto interessanti, come la fotoluminescenza, solubilità in acqua, facilità di funzionalizzazione, fotostabilità e biocompatibilità. Grazie a queste caratteristiche, i Carbon Nanodots potrebbero essere impiegati in diversi campi che vanno dalla biologia alla catalisi. Questa Tesi è basata sull’investigazione delle proprietà di superficie dei Carbon Nanodots, preparati da differenti precursori e approcci sintetici, in aggiunta alle loro applicazioni organocatalitiche e fotoniche. Nel capitolo 1 viene presentata una panoramica delle metodologie sintetiche e di purificazione dei Carbon Nanodots. Inoltre, vengono descritte le loro caratteristiche fisico-chimiche. Si riporta anche una breve discussione sui loro utilizzi applicativi. Nel capitolo 2 sono state studiate le proprietà superficiali di diversi Carbon Nanodots, in particolare quelli drogati con azoto. In collaborazione con il gruppo della Prof. Bonchio dell'Università di Padova, è stato sfruttato il loro contenuto amminico superficiale per condurre trasformazioni amminocatalitiche in acqua. Nel capitolo 3 viene presentata una famiglia di Carbon Nanodots da precursori ricchi di gruppi amminici, attraverso approcci mono e multicomponente. I nanomateriali ottenuti sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche, morfologiche e analitiche. In seguito, le loro prestazioni catalitiche sono state confrontate utilizzando come modello una reazione aldolica. Nel capitolo 4 sono presentati nuovi Carbon Nanodots chirali e drogati con azoto, preparati in un solo passaggio sintetico senza ricorrere a reazioni di post-funzionalizzazione con agenti chirali. Utilizzando precursori ricchi in azoto è stata ottenuta una coppia di nanoparticelle enantiomeriche, oltre alla corrispondente forma meso. Infine, nel capitolo 5, è stata esplorata la luminescenza allo stato solido dei Carbon Nanodots incorporati in alcune matrici (polimerica, di silice e amminosilanica), dimostrando il potenziale delle matrici prodotte come sensori di pH, oltre al loro impiego come additivi per celle solari e diodi ad emissione di luce.