Exploiting Spin-Polarized Transport in Chiral Layered Perovskites for Enhanced Green Energy Applications - Nuove prospettive energetiche attraverso il trasporto spin-polarizzato in perovskiti chirali 2D

The transition to renewable energy requires materials capable of efficiently harvesting sunlight for sustainable fuel and electricity generation. Chiral two-dimensional organic–inorganic hybrid perovskites (OIHPs) offer a promising platform due to their tunable optoelectronic properties, strong spin–orbit coupling, and structural chirality, which may enable the exploitation of the Chiral-Induced Spin Selectivity (CISS) effect. This thesis systematically investigates their potential in photocatalysis, photoelectrochemistry, and photovoltaics, focusing on two families, (4Br-MBA)₂PbI₄ and (4Cl-MBA)₂PbI₄, synthesized in enantiopure and racemic forms. In photocatalytic hydrogen evolution, the (S)-enantiomer of (4Br-MBA)₂PbI₄ outperformed its racemic and (R)-counterparts, while results for the chlorine-based perovskites were less consistent, highlighting composition-dependent effects of chirality. In PEC devices, chiral perovskites initially enhanced photocurrents in BiVO₄ photoanodes, though these effects were not consistently reproducible, with morphology and interfacial variability exerting stronger influence than chirality. A key achievement was the stabilization of perovskite films in aqueous electrolyte using PTAA and TiO₂ encapsulation, demonstrating the feasibility of perovskite integration in PEC systems. In photovoltaics, enantiopure devices sometimes showed improved performance, though variability across compositions underscored the difficulty of isolating spin-related contributions. Overall, the work demonstrates both the promise and the challenges of employing chirality in perovskite-based energy devices, marking an important step toward integrating spin-selective effects into stable and efficient solar-driven systems.

La transizione verso energie rinnovabili richiede materiali in grado di convertire la luce solare in modo efficiente per la produzione sostenibile di combustibili ed elettricità. Le perovskiti ibride 2D organico–inorganiche chirali (OIHP) rappresentano un punto di partenza promettente grazie alle loro proprietà optoelettroniche modulabili, al forte accoppiamento spin–orbita e alla chiralità strutturale, che possono consentire lo sfruttamento dell’effetto di Selettività di Spin Indotta dalla Chiralità (CISS). La presente tesi esplora sistematicamente il potenziale di questi materiali in ambito fotocatalitico, fotoelettrochimico e fotovoltaico, focalizzandosi su due famiglie di perovskiti, (4Br-MBA)₂PbI₄ e (4Cl-MBA)₂PbI₄, sintetizzate sia in forma enantiopura sia racemica. Nella reazione fotocatalitica di evoluzione dell’idrogeno, l’enantiomero (S) di (4Br-MBA)₂PbI₄ ha mostrato un’attività superiore rispetto alla forma racemica e all’enantiomero (R), mentre per le perovskiti clorurate i risultati sono stati meno coerenti, evidenziando un’influenza della chiralità dipendente dalla composizione. Nei dispositivi fotoelettrochimici, l’integrazione di perovskiti chirali ha inizialmente condotto a un aumento delle fotocorrenti nei fotoanodi a base di BiVO₄, sebbene tali effetti non siano risultati sistematicamente riproducibili, a causa della morfologia e della qualità interfacciale, che hanno esercitato un ruolo più determinante rispetto alla chiralità. Un risultato di particolare rilievo è stato la stabilizzazione dei film di perovskite in elettrolita acquoso mediante protezione con PTAA e TiO₂, dimostrando la fattibilità dell’integrazione delle perovskiti nei sistemi PEC. In ambito fotovoltaico, i dispositivi basati su enantiomeri puri hanno in alcuni casi evidenziato prestazioni superiori, sebbene la variabilità tra diverse composizioni abbia messo in luce la difficoltà di isolare in maniera univoca i contributi legati allo spin. Nel complesso, questo lavoro sottolinea sia le potenzialità sia le sfide connesse all’impiego della chiralità in dispositivi energetici a base di perovskiti, segnando un passo significativo verso l’integrazione di effetti spin-selettivi in sistemi solari stabili ed efficienti.