Descrizione del modulo "Sistemi catalitici innovativi e membrane funzionali per ossidazioni eco-sostenibili (PM.P02.007.006)"

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  • Descrizione del modulo "Sistemi catalitici innovativi e membrane funzionali per ossidazioni eco-sostenibili (PM.P02.007.006)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Sviluppo di nuovi processi ossidativi a basso impatto ambientale anche applicabili alla mineralizzazione di potenziali inquinanti organici per la purificazione delle acque. Applicazione dei nuovi sistemi catalitici solubili in soluzione acquosa per lo studio di sistemi artificiali con attività di fotosintesi, per l'ossidazione di H2O ad O2, produzione di idrogeno e abbattimento dell'anidride carbonica. (literal)
Tematiche di ricerca
  • L'attività di ricerca prevede: (i) la sintesi e caratterizzazione di sistemi catalitici integranti Ru, Fe, Mn, Cu, Co, V con attività redox multi elettronica; (ii) l' applicazione dei nuovi catalizzatori in processi sostenibili dal punto di vista ambientale e dedicati a processi foto attivati per l'ottenimento di combustibili solari; (iii) studio di tecniche di supporto del catalizzatore per l'ottenimento di nuovi materiali funzionali ed in particolare di membrane catalitiche e/o foto catalitiche; (iv) studio di tecniche di catalisi multipla, sequenziale e/o parallela, con applicazione anche in ambito della fotosintesi artificiale. (v) calcolo, tramite metodi DFT relativistici delle proprietà NMR di sistemi organometallici o di nuclei pesanti, e.g. Xe, utilizzati come probe molecolari in membrane e matrici complesse. (vi) sintesi e caratterizzazione di nuovi cristalli liquidi ionici, inclusi sistemi basati su anioni poliossometallati, e studio delle loro proprietà termotropiche e liotropiche. (literal)
Competenze
  • Competenze interdisciplinari in sintesi organica e inorganica e che riguardano anche la preparazione e caratterizzazione di materiali funzionali. In particolare, i partecipanti al modulo hanno esperienza nella sintesi e caratterizzazione di POMs con i quali hanno sviluppato nuovi protocolli per l'ossigenazione di substrati organici ad elevata efficienza catalitica, in ambiente acquoso e in solventi organici, sfruttando tecniche di irraggiamento con microonde o processi foto-attivati. La preparazione di membrane catalitiche impiegate nella fotoossigenazione di alcoli e idrocarburi, rientra nelle attività del gruppo. Competenze relative alla funzionalizzazione, solubilizzazione e caratterizzazione di nanotubi di carbonio, e anche all'utilizzo di metodi computazionali, sono state acquisite dal gruppo di ricerca. Competenze computazionali di calcoli DFT e simulazioni di dinamica molecolare; conoscenza dei pacchetti software Gaussian, ADF, Dalton, LAMMPS, DL_POLY. Sintesi di sali di azoto quaternario con fasi di liquido ionico e cristallo liquido ionico. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Funzionalizzazione di idrocarburi saturi e insaturi attraverso processi catalitici sostenibili dal punto di vista ambientale. Produzione di intermedi ad alto valore aggiunto in processi di chimica fine. Processi foto catalitici a basso impatto ambientale e per la conversione di anidride carbonica. (literal)
Tecnologie
  • Studi cinetici, metodi e competenze di chimica fisica organica, congiunte all'analisi di correlazioni struttura-reattività e calcoli quantomeccanici, sono impiegati nello studio del meccanismo di reazione, nell'identificazione di intermedi reattivi e nell'ottimizzazione del processo catalitico in termini di selettività ed efficienza. Sono utilizzati metodi DFT e simulazioni di Dinamica Molecolare e i pacchetti software Gaussian, ADF, Dalton, LAMMPS, DL_POLY. (literal)
Obiettivi
  • Nuovi processi catalitici per l'ossidazione selettiva di molecole organiche e per la mineralizzazione di sostanze inquinanti in soluzione acquosa. Sintesi di catalizzatori e sistemi organici-inorganici anche con proprietà fotocatalitiche. Preparazione di membrane ibride e di materiali funzionali con proprietà catalitiche. Metodi catalitici foto sintetici per la produzione di combustibili solari e la conversionedell'energia solare in energia chimica. Predire con metodi DFT le proprietà NMR di sistemi contenenti Xe disciolto in vari sistemi, da criptofani (collaborazione con T. K. Holman), liquidi ionici (A. Mele), a membrane di varia morfologia e tipo. Razionalizzare i risultati sperimentali tramite i calcoli in modo da ottenere informazioni strutturali sull'intorno chimico in cui lo Xe è disciolto. Capire la relazione tra struttura molecolare e mesofase ionica e sua stabilità. Lo studio riguarda sia la sintesi che la simulazione (collaborazione con Y. Wang) di cristalli liquidi ionici, sia in fase pura che in strutture confinate come membrane e superfici (in collaborazione con A. Gugliuzza). (literal)
Stato dell'arte
  • Il disegno di sistemi molecolari foto sintetici è un obiettivo di notevole interesse nell'ambito delle energie rinnovabili. Inoltre, la preparazione di membrane ibride che incorporano complessi poliossometallati è un settore innovativo Le competenze acquisite dall'ITM in questo ambito rappresentano lo stato dell'arte per quanto riguarda la classe dei catalizzatori poliossometallati e il disegno di interfacce nano strutturate con nanotubi di carbonio e grafene sia per applicazioni di catalisi eterogenea sia nell'ambito di materiali per l'energia (Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11182-11185. DOI: 10.1002/anie.201404664) Calcoli quantistici di proprietà NMR basati sulla teoria DFT relativistica hanno oggi raggiunto un alto potere predittivo, in grado di trattare sistemi dinamici come Xe in membrane e matrici complesse, e.g. liquidi ionici (G. Saielli et al. J. Phys. Chem. B, 2015, DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jp511207s). Per quanto riguarda i cristalli liquidi ionici, la ricerca attuale punta alla scoperta di una famiglia di composti organici che abbiano una fase nematica ionica, mentre fino ad oggi quasi tutti i sistemi sono di tipo smettico. (literal)
Tecniche di indagine
  • Tecniche combinate di elettrochimica, UV-Vis e FT-IR , resonance-Raman, e spettrometria di massa applicate alla speciazione del sistema catalitico in soluzione, e alla verifica della stabilità del catalizzatore nelle condizioni di reazioni e dopo incorporazione nel materiale ibrido. NMR in soluzione, NRM di stato solido, IR. caratterizzazione dei materiali tramite DSC, TGA, XRD. DFT e simulazioni di Dinamica Molecolare (literal)
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