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Descrizione della commessa "Catalisi ed elettrocatalisi per la produzione sostenibile di energia e la trasformazione di risorse rinnovabili (PM.P03.001)"
- Type
- Label
- Descrizione della commessa "Catalisi ed elettrocatalisi per la produzione sostenibile di energia e la trasformazione di risorse rinnovabili (PM.P03.001)" (literal)
- Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
- Sviluppo sostenibile. Distribuzione di piccole potenze per elettronica e sistemi ausiliari in località remote dove l'energia distribuita non arriva. Uso di combustibili rinnovabili come etanolo, glicerolo, glicole etilenico e zuccheri biorinnovabili per la produzione di energia e chemicals che non prevedono l'impiego di processi industriali inquinanti. Produzione di idrogeno che non prevede l'utilizzazione di combustibili fossili. Formazione di personale altamente qualificato da poter impiegare in aziende specializzate nel settore.
Utilizzo della CO2 come precursore di vettori energetici. (literal)
- Strumentazione
- Laboratori chimici ed attrezzature relative; autoclavi; reattori a flusso; forni statici e dinamici a flusso; microscopi elettronici in trasmissione e in scansione (HR-TEM, TEM, SEM, ESEM); microscopio a forza atomica (AFM); strumentazioni per caratterizzazione spettroscopica e strutturale di solidi e superfici (XPS, EXAFS, WAXS, SAXS, BET); strumentazioni per caratterizzazione chimico-strutturale dei materiali catalitici con tecniche SANS, AFM, XRPD, porosimetria, AA, UV- vis; analisi Rietveld; catlab interfacciato con spettrometro di massa per misure TPR, TPO, TPD; spettrometri NMR alto campo in soluzione e stato solido; gascromatografi, Gas-Massa, IR, Uv-Vis; banchi per la valutazione delle performance di cella e potenziostati-galvanostati; FTIR per le reazioni elettrochimiche in situ; lavorazioni meccaniche; Simulatore solare; pressa meccanica.
Autoclavi per la conduzione di catalisi in fase omogenea ed eterogenea di ossidazione. Apparati NMR (tubi NMR di 5 e 10 mm)operativi ad alte pressioni (150 atm) e alta temperatura (120 °C) per il monitoraggio in situ delle reazioni eseguite. Infrarosso equipaggiato con cella ad alta pressione di gas per le reazioni in situ ed operando. (literal)
- Tematiche di ricerca
- L'attività di ricerca della commessa è centrata sulla produzione di chemicals e energia o idrogeno mediante DAFC e elettrolizzatori, nonché sulla elettroriduzione della CO2. In particolare si occupa di: 1) Sintesi di elettrocatalizzatori nanostrutturati per Fuel Cells (PEMFC e DAFC e elettrolizzatori); 2) elettrocatalizzatori anodici costituiti da complessi molecolari per OrganoMetallic Fuel Cell (OMFC); 3) Utilizzo delle DAFC (Direct alcohol Fuel Cell) come reattori per produrre energia e chemicals da risorse rinnovabili come alcoli e zuccheri. 3) Produzione di H2 e chemicals da risorse rinnovabili mediante elettroreforming; 4) valutazione dei singoli elettrodi, delle MEA e delle celle monoplanari e stack. 5) produzione di idrogeno e chemical mediante foto-elettrocatalisi. 6) Reazioni catalitiche in fase omogenea ed eterogenea di ossidazione parziale di rinnovabili. 7) Sintesi di catalizzatori ed elettrocatalizzatori contenenti basse percentuali di metalli nobili (palladio, platino, oro), anche in forma di leghe, mediante \"metal vapor synthesis, MVS\" e plasma-CVS; 8)Film sottili a base di Cu, Zn e Sn per PV; 9) caratterizzazione dei materiali catalitici. (literal)
- Competenze
- Le competenze sono così riassumibili: sintesi organiche, inorganiche e metallorganiche; tecniche di polimerizzazione; modellizzazione teorica di superfici, di nanoparticelle, di supporti porosi, di materiali conduttivi e di membrane; competenze nel campo dell'elettrochimica (voltammetria ciclica, curve di potenza e di polarizzazione, spettroscopia di impedenza e misure cronopotenziometriche); competenze nella spettroscopia NMR in soluzione e allo stato solido; competenze nel settore della componentistica (elettrodi, assemblati membrana-elettrodi, piatti bipolari) e di hardware di cella (stack); caratterizzazione avanzata della morfologia, composizione e delle proprietà superficiali della fase metallica in catalizzatori solidi con un approccio multitecnica; Competenza in catalisi omogenea ed eterogenea finalizzata alla ossidazione selettiva di risorse rinnovabili;
Microscopia elettronica in alta risoluzione; tecniche \"metal vapor synthesis, MVS\" e plasma-CVS; (literal)
- Potenziale impiego per processi produttivi
- Microgenerazione di energia (200 KW) attraverso la costruzione di generatori portatili costituiti da stack di celle alimentate con soluzioni acquose di alcoli e da aria o di idrogeno da metalloboroidruri. Sviluppo di dispositivi per alimentare strumenti di elettronica portatile (telefoni cellulari, computers portatili), camper, campeggi e barche, che non prevedono l'accumulo di idrogeno ma formazione on demand da idrolisi di metalloboroidruri. Entrambi i settori hanno una rilevanza industriale ed economica di primo piano (centinaia di milioni di pezzi potrebbero essere venduti). Obiettivo futuro: dispositivi APU per autotrazione. Produzione di idrogeno ad alta pressione a basso costo e ad alta efficienza mediante idrogeno ottuenuto da idrolisi controllata di metalloboroidruri. Dispositivi costituiti da celle a combustibile di nuova generazione detti Organometallic Fuel Cells (OMFC) in elettrocatalisi per la selettiva trasformazione di risorse rinnovabili in prodotti ad alto valore aggiunto e elettrofotocatalisi per la produzione di H2. Realizzazione di celle fotovoltaiche a film sottili. (literal)
- Tecnologie
- Preparazione di ink per elettrodi di celle a combustibile. Costruzione di elettrodi per celle a combustibile mediante presse meccaniche ed idrauliche. Sintesi di strutture nanotubulari mediante metodologie elettrochimiche. Costruzione di celle monoplanari (serbatoi, piatti bipolari) per celle ad idrogeno (PEMFC) e ad alcol diretto (DAFC). Fabbricazione di assemblati membrana-elettrodi (MEA). Costruzione di apparati elettrolitici per la produzione di idrogeno in alta pressione e alta temperatura. Utilizzo di simulatori solari per la realizzazione di apparati per fotoeletrocatalisi. Realizzazione di stack per celle PEMFC (fino a 200 W) e DAFC (fino a 10 W). Design e costruzione di dispositivi portatili e stazionari per la generazione di energia elettrica da idrogeno prodotto da idrolisi controllata di metalli boroidruri: realizzazione serbaio, valvole essiccazione gas, stack e inverter; sintesi e caratterizzazione catalizzatori per la generazione di idrogeno; spettroscopia IR in riflettanza diffusa (DRIFTS) e/o spettrometria di massa. (literal)
- Obiettivi
- Celle a combustibile ed elettrolizzatori (anche privi di membrana ed operanti in alte pressioni e temperature) per la trasformazione di sostanze rinnovabili in energia o idrogeno e la contemporanea produzione di chemicals ad alto valore aggiunto. Realizzazione di stack di celle PEMF e DAFC capaci di rilasciare densità di potenza fino a 300 W. Caratterizzazione chimico-fisica e valutazione completa dei materiali (validazione funzionale in campo catalitico dei materiali sintetizzati). Realizzazione di dispositivi portatili e stazionari per la generazione di energia elettrica (da 200 W a 3 KW) da idrogeno prodotto on demand da metallo boroidruri.
Realizzazione di celle a combustibile di nuova generazione, Organometallic Fuel cells (OMFCs) contenenti complessi molecolari come elettrocatalizzatori anodici operanti in ambiente acido o basico. Reazioni catalitiche in fase omogenea ed eterogenea di ossidazione selettiva e parziale di alcoli e polialcoli e ottimizzazione dei risultati. Pubblicazioni scientifiche, realizzazione di prototipi, brevetti di invenzione e dispositivi commercializzabili, per la produzione di energia elettrica da risorse rinnovabili. (literal)
- Stato dell'arte
- La selettiva produzione di chemicals da risorse rinnovabili e contemporaneo rilascio di energia o idrogeno è l'obiettivo più ambito per una chimica sostenibile. Tale obiettivo può essere ottenuto, impiegando una varietà di risorse rinnovabili come alcoli e carboidrati, mediante dispositivi elettrochimici come celle a combustibile ad alcol diretto (DAFC) ed elettrolizzati per la produzione di idrogeno. In entrambi i casi, soluzioni acquose di combustibili rinnovabili sono ossidate all'anodo mediante elettrocatalizzatori nanostrutturati che promuovono l'ossidazione parziale degli anoliti rilasciando energia o H2 e chemicals. Le DAFC, principalmente quelle a metanolo note nello stato dell'arte contengono catodi e anodi a base di Pt. Notevoli sforzi sono finalizzati alla progettazione e realizzazione di DAFC non contenenti platino ma in grado di ossidare alcoli primari e secondari con veloce cinetica e tollerabile disattivazione. L'attività di questa commessa ha portato alla realizzazione di elettrolizzatori PEM, per la produzione di idrogeno da soluzioni acquose di alcoli, che richiedono meno della metà di energia rispetto agli elettrolizzatori noti nello stato dell'arte. (literal)
- Tecniche di indagine
- La progettazione, sintesi e sviluppo di nuovi elettrocatalizzatori anodici e catodici, richiede l'impiego di una grande varietà di tecniche di indagine e di metodologie: sintesi organiche, inorganiche, metallorganiche e modellizzazione teorica di superfici, di nanoparticelle, di supporti porosi, di materiali conduttivi e di membrane e ionomeri (tecniche EXAFS, XANES, HRTEM, SANS, AFM, XRPD, porosimetria, AA, UV- Vis, analisi Rietveld, assorbimento di gas (IR con molecole sonda) e a temperatura programmata (TPRD,TPOD, TPD). E' inoltre cruciale l'impiego di metodologie elettrochimiche (voltammetria ciclica, curve di potenza, di polarizzazione e spettroscopia di impedenza), di microscopia elettronica in trasmissione e in scansione, di tecniche di indagine NMR in soluzione e allo stato solido, di sviluppo della componentistica di cella (elettrodi, membrane, ionomeri, assemblati membrana-elettrodi, realizzazione di stack, sviluppo di hardware di cella a combustibile, di celle elettrolitiche e studio degli intermedi di reazione ed esausti di cella a combustibile diretto (NMR, HPLC, Cromatografia ionica, GC-MS, IR, UV-Vis)ed in situ, sugli elettrodi mediante misure FTIR. (literal)
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