Descrizione della commessa "Nuovi materiali per l'energia, tecnologia dell'idrogeno e biocombustibili. (PM.P03.005)"

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  • Descrizione della commessa "Nuovi materiali per l'energia, tecnologia dell'idrogeno e biocombustibili. (PM.P03.005)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • L'ipotesi di contribuire alla soluzione dei problemi energetici futuri mediante l'attuazione di un'economia ad idrogeno non può prescindere dall'acquisizione di ulteriori cognizioni sulla sua produzione, purificazione e immagazzinamento. In una prospettiva di accesso a fonti energetiche alternative ed eco-compatibili, si colloca la conversione diretta di scarti organici in idrogeno attraverso fermentazione biologica. Sono necessari processi per rimuovere la CO2 quando H2 deriva da fontifossili. Numerosi laboratori e centri di eccellenza, accademici e privati, in tutti i paesi più industrializzati affrontano queste tematiche di ricerca. L'immagazzinamento efficiente di idrogeno è ancora un collo di bottiglia verso lo sviluppo di un'economia basata sull'idrogeno. La facile gestione e 'scalability' dei processi a membrana e la semplicità e modularità degli impianti a membrana permette un veloce assemblaggio di un qualsiasi impianto e una veloce risposta a particolari esigenze di separazione. La maggior parte dei processi non produce l'idrogeno in forma pura e necessità una purificazione prima del suo uso o dell'immagazzinamento, ad esempio tramite separazioni a membrana. (literal)
Strumentazione
  • La caratterizzazione di materiali catalitici viene effettuata mediante tecniche termoanalitiche (TPRD, TPOD, TPD, chemisorbimento), spettroscopiche in situ ed operando (DRIFT-MS, EXAFS-MS) con uso di molecole sonda, microscopia elettronica (HRTEM). Apparato per sintesi CVD. Bioreattori per colture batteriche e fotobioreattori per colture microalgali; GC-TCD, GC MS-MS, QMS-TOF LC-MS/MS; NMR per gli studi metabolici. Impianti per la filatura di membrane a fibra cava, un impianto per la spalmatura di membrane piane. Vari impianti per la determinazione della permeabilità delle membrane di gas puri e di miscele di gas. Strumenti vari per la caratterizzazione delle proprietà dei polimeri e delle membrane.Spettrometri NMR ad alto campo (300-600 MHz). Accesso a strumenti ad altissimo campo (900 MHz). NMR stato solido. Catlab e spettrometro di massa QIC-20. HPNMR. Diffattometri a raggi-X (crist. singolo e polveri), Spettroscopia Raman, MS, SEM e TEM. GCMS ed LCMS/MS quadrupolo-TOF con sorgente ESI ed APCI. Sistemi HPLC e GC con TCD per la misurazione dei gas. Analizzatore di fisisorbimento ASAP2020MP Micromeritics. Bioreattori anaerobici. GC-TCD, GC MS-MS, quadrupolo-TOF LC-MS/MS e NMR. (literal)
Tematiche di ricerca
  • PRODUZIONE DI H2 1. studio di molecole ad alto contenuti di idrogeno (ammoniaca borano, acido formico) per la produzione di idrogeno. 2. Sviluppo di catalizzatori per la produzione dell'idrogeno: reforming in fase gassosa e liquida di derivati di biomasse, decomposizione di bio-metanolo a syngas. 3. Sviluppo di fotocatalizzatori per la produzione di idrogeno da sostanze rinnovabili (bioalcoli, polioli, etc.) 5. produzione integrata di energia da fonti biolgiche. PURIFICAZIONE DI H2 1.preparazione e caratterizzazione di membrane 2. Sviluppo di catalizzatori per reazioni di PROX e WGSR. \"STORAGE\" DI H2 1. sviluppo di materiali per lo storage di idrogeno a base di idruri metallici e non metallici, materiali porosi e misti (MOF, metal-organic frameworks; PCPs, porous coordination polymers; micro- e nano-compositi polimero-metallo idrurabile, carboni porosi funzionalizzati e non); solidi sintetici complessi (es. compositi grafene-polimero-metallo idrurabile, ecc.); complessi metallici capaci di coordinare ed attivare l'idrogeno; uso di CO2 come storage material. (literal)
Competenze
  • Sintesi di catalizzatori metallici nanostrutturati supportati attraverso OM-CVD, sol-gel, sintesi colloidale, etc. ; caratterizzazione avanzata della morfologia e delle proprietà superficiali della fase metallica in catalizzatori solidi con un approccio multitecnica; conduzione di test catalitici in flusso. Competenze in microbiologia, crescite microalgali su larga scala, chimica bio-organica, caratterizzazione strutturale, definizione di vie metaboliche, chimica analitica e biocatalisi. Conoscenza delle proprietà termiche, meccaniche, fisiche, termodinamiche e chimiche dei polimeri e delle soluzioni polimeriche e dei sistemi ternari solvente-nonsolvente-polimero; fenomeni termodinamici e cinetici del processo di inversione di fase in soluzioni polimeriche e della formazione di membrane, sia piane che a fibra cava; meccanismi di trasporto di gas e di liquidi in membrane dense e porose; modellazione matematica dei processi permeativi e simulazione di operazioni a membrana. Ampie competenze sullo sviluppo di materiali per lo stoccaggio (idruri metallici, ibridi metallo/polimero, MOFs, COFs, PCPs, materiali carboniosi, etc.) e attivazione catalitica di molecole. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • L'idrogeno come potenziale vettore energetico per lo sviluppo di un sistema energetico alternativo ai combustibili fossili. Aspetti strategici della ricerca relativi alla produzione di idrogeno, da gas di sintesi (CO e H2), con due processi produttivi: l'ossidazione parziale di idrocarburi e il reforming di ossigenati. Migliorare e dimostrare su scala pilota, la produzione di idrogeno da fonti naturali, con la contemporanea produzione di composti ad alto valore aggiunto. Sistemi a membrane possono in principio essere impiegati in ogni processo che necessita la separazione di idrogeno da altri gas e/o da vapori. La flessibilità e modularità dei processi a membrana permette l'applicazione su ogni scala, da laboratorio a scala pilota e scala industriale. Le membrane e i modelli di processi a membrana sono utilizzabili in processi dove sono presenti vapori di solventi organici, dannosi per membrane comunemente utilizzate per separazioni di gas. L'immagazzinamento dell'idrogeno in materiali nanostrutturati, acido formico e derivati, amminoborani ed in idruri metallici che agiscano da \"contenitori microscopici\" efficienti, reversibili e facilmente trasportabili. (literal)
Tecnologie
  • La commessa ha buone potenzialita' tecnologiche data la natura strategica del programma idrogeno per il nostro paese e per i paesi industrializzati in genere. Interesse per il programma oggetto può essere riscontrato in potenziali partner industriali interessati al problema dell'energia ed alla mobilita' veicolare in genere. Metodo di analisi per la metabolomica dei ceppi produttori di idrogeno: AMDIS ' Automated Mass Spectral Deconvolution and Identification. Sviluppo di modelli matematici per il trasporto in membrana e per gli impianti basati su processi di separazione a membrana; sviluppo di processi di separazione di gas. Studio delle proprietà di uptake e rilascio di idrogeno e di altre specie gassose da parte dei materiali MOFs e PCPs sintetizzati tramite analizzatore automatico di fisisorbimento. (literal)
Obiettivi
  • a) Produzione di H2: reforming in fase acquosa di biomasse lignocellulosiche e loro i prodotti di idrolisi; steam reforming di ossigenati con catalizzatori a base di metalli non nobili e a base di metalli nobili a basso carico; fotosplitting di soluzioni acquose di derivati di biomasse; Produzione per via biologica tramite l'integrazione di più processi per la produzione di bio-energia. b) Sviluppo di nuove membrane polimeriche per separare l'idrogeno da miscele di reazione con solventi organici. Sviluppo di modelli e codici di simulazioni di processi a membrana nella separazione/purificazione di idrogeno. c) progettazione e sviluppo di nuovi idruri e boroidruri metallici e materiali ad elevata porosità per immagazzinamento di idrogeno. d) sintesi e caratterizzazione di nuovi composti MOFs e dei PCPs e studio delle proprietà chimico-fisiche in relazione all'uptake e al rilascio di H2 e altre specie gassose quali CH4, CO2, etc. e) sviluppo di materiali ibridi metallo/polimero per lo stoccaggio di idrogeno. f) Sviluppo di processi per rimozione e valorizzazione della CO2. g) Studio del legame M-H. h) Sviluppo di catalizzatori per decomposizione di acido formico e idrogenazione di CO2 (literal)
Stato dell'arte
  • Il tema della produzione sostenibile di energia è fondamentale per il nostro paese come per l'intero pianeta. L'idrogeno, se utilizzato in efficienti celle a combustibile, sembra poter contribuire alla soluzione di tale problematica. Risulta però necessario sviluppare e ottimizzare nuovi sistemi di produzione, purificazione, stoccaggio e utilizzo dell'idrogeno. Lo sviluppo di catalizzatori attivi e stabili per il (foto)reforming di materie prime rinnovabili (lignocellulosa, polioli, alcoli, zuccheri C5-C6, etc.) e i processi bio-fotolitici o fermentativi per produrre bioidrogeno sono due vie complementari molto promettenti. Le membrane polimeriche attualmente utilizzate per separazioni di gas sono poco selettive per l'H2 oppure soffrono di plasticizzazione in presenza di vapori/gas, perdendo così selettività o resistenza meccanica e termica. I polimeri perfluorurati vetrosi sono promettenti ma poco studiati. I sistemi metallo-polimero, i MOFs, i COFs e i PCPs per lo stoccaggio di H2 rappresentano una promettente alternativa ai classici serbatoi, inoltre sono di interesse anche composti a basso peso molecolare con alto contenuto di idrogeno (amminoborani, acido formico, idroborati) (literal)
Tecniche di indagine
  • Caratterizzazione morfologico/strutturale della fase metallica supportata (nanoparticelle, siti isolati e/o difettivi) e dei supporti (proprietà red-ox, acido-base, etc.) in parallelo studi sull'attività catalitica. Caratterizzazione dei pathways metabolici correlati alla produzione di idrogeno tramite processi di fermentazione al buio operati da batteri termofili; selezione delle specie con maggiore produzione di H2; analisi dei processi metabolici di isolati batterici ed archea estremofili e determinazione dei sottoprodotti di fermentazione e della produzione di idrogeno. Studio morfologico delle membrane e studio delle loro proprietà meccaniche, termiche, fisiche e chimiche e del trasporto di gas e di vapori. Modelli matematici descriventi il trasporto in membrana. Per lo stoccaggio oltre a sintesi, caratterizzazione, studi teorici si prevede l'uso di NMR di stato solido, microscopia elettronica, diffrattometria, spettroscopia ottica lineare di emissione ed assorbimento e tecniche di indagine particolare sono reperibili presso altre strutture CNR (Raman, spettroscopia neutronica) e universitarie (spettroscopia e diffrazione neutronica, ESI-MS). (literal)
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