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General and Inorganic Chemistry

Base chemistry course for
Forestry and Environmental
Technology degree

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Inorganic Functional Materials

Advanced course on
innovative applications of
novel materials in technology

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General and Inorganic Chemistry

Lo studente acquisisce nozioni di chimica generale di base e alcune nozioni di chimica inorganica. Il corso consiste in lezioni teoriche intervallate da esempi pratici ed esercizi. La risoluzione degli esercizi, relativi agli argomenti svolti nelle lezioni teoriche, ha anche lo scopo di abituare lo studente all'approccio scientifico a problemi di natura diversa.

1° credito: La struttura dell'atomo ed il legame chimico.
La struttura dell'atomo. Modello di Bohr e teoria quantistica. Natura ondulatoria degli elettroni. Numeri quantici e orbitali atomici. Principio di Pauli e di Hund. Configurazione elettronica degli atomi. Orbitali atomici
La tavola periodica. Affinità elettronica ed energia di ionizzazione. Cenni di chimica inorganica sistematica.
Il legame chimico: legame ionico e covalente, legame di coordinazione e metallico. Cenni alla teoria dell'orbitale molecolare e configurazione elettronica di molecole semplici: molecole biatomiche omo- ed eteropolari. Molecole poliatomiche. Geometria molecolare. Ibridizzazione. Legami multipli. Forze intermolecolari.

2° credito: Lo stato della materia.
Lo stato gassoso: Gas ideali e gas reali
Lo stato liquido e le soluzioni: Pressione di vapore dei liquidi e temperatura di ebollizione. Solvatazione dei soluti. Concentrazione delle soluzioni (Richiami). Legge di Raoult e deviazioni. Le proprietà colligative
Lo stato solido. Diagrammi di stato.

3° credito: Termodinamica chimica.
Concetti fondamentali di Termodinamica Chimica: energia, sistema, ambiente e universo. Proprietà intensive e estensive. Funzioni di Stato. Energia Interna; calore e lavoro. Capacità termica. Principio Zero della Termodinamica. Il Primo Principio della Termodinamica. La funzione Entalpia. Applicazione del Primo Principio all?espansione dei gas.
Termochimica: legge di Hess.
Il Secondo Principio: l'Entropia: definizione statistica e termodinamica. Equazione fondamentale dell?Energia Interna. Il Terzo Principio della Termodinamica.
Energia di Gibbs. Termodinamica dei cambiamenti di stato. Dipendenza dell'equilibrio chimico dalla variazione di Energia di Gibbs. Dipendenza da Temperatura e Pressione.

4° credito: Equilibri chimici.
Legge di azione di massa e principio di Le Chatelier. Equilibri omogenei ed eterogenei e costanti di equilibrio.
Equilibri ionici in soluzione acquosa: acidi e basi secondo Arrhenius, Bronsted e Lewis. Acidi e basi forti. Acidi e basi deboli. Prodotto ionico dell'acqua. Calcolo del pH di acidi e basi forti. Calcolo dei pH di acidi e basi deboli. Reazioni d?idrolisi. Soluzione tampone. Acidi poliprotici.
Prodotto di solubilità ed effetto dello ione comune.

5° credito: Elettrochimica.
Elettrochimica: Conducibilità delle soluzione acquose. Elettrolisi. Leggi di Faraday. Pile e potenziali normali di semi-reazione. Uso dei potenziali normali per la previsione di una reazione redox. Conducibilità specifica e conducibilità equivalente. Conducibilità equivalente di elettroliti forti e deboli. Conducibilità a diluizione infinita e misura del grado di dissociazione.

6-8° credito:
Esercizi sugli argomenti svolti ed esercitazione in laboratorio per la verifica delle nozioni basilari apprese nelle lezioni frontali.

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Inorganic Functional Materials


Il corso si propone di approfondire alcuni aspetti legati a materiali inorganici rilevanti da un punto di vista applicativo e funzionale. L'approccio metodologico sarà improntato al tentativo di mettere in relazione gli aspetti funzionali con le caratteristiche chimiche, fisiche, strutturali, morfologiche del materiale da un lato e le specificità tecnologiche ed applicative dall'altro. Nell'ampia casistica di possibili materiali e dispositivi saranno presi in considerazione principalmente quelli piugrave; promettenti nell'ottica di uno sviluppo sostenibile.

In particolare saranno considerati:
Materiali a base ossidica utilizzabili in celle a combustibile ad ossido solido. In funzione di tale applicazione saranno approfonditi sia gli aspetti legati alla sintesi ed alle più significative caratteristiche chimiche e fisiche (reattività, conducibilità, stabilità, permeabilità ...) che le problematiche legate al settore delle celle a combustibile. In particolare le specificità di sistemi ossidici saranno discusse in relazione al loro impiego nel settore anodico, catodico ed elettrolitico.
Reazioni sostenibili per la produzione di combustibili alternativi ai combustibili fossili.
L'anidride carbonica: da inquinante a risorsa.
Energia dal sole: dai pannelli solari alla fotocatalisi.
Materiali intercalati per lo stoccaggio, il trasporto ed il risparmio di energia.
Siti attivi nelle reazioni di ossidoriduzione: la funzionalizzazione di materiali catalitici.

In tutti i casi i materiali verranno indagati nei diversi stadi che portano dalla sintesi alla realizzazione del dispositivo. A tal fine saranno richiamati, ogniqualvolta necessario, gli aspetti generali legati alle proprietagrave; chimiche e strutturali, onde favorire il consolidarsi di un approccio costruttivo e progettuale allo studio dei materiali.

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Thesis proposals


PRODUZIONE DI ENERGIA

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono al giorno d’oggi una realtà commerciale affermata ed una risposta ecologica al fabbisogno energetico delle nostre case ed edifici pubblici, oltre che, ovviamente aziende (i quartier generali di Coca Cola e Google sono alimentati da celle a combustibile ad ossido solido). Nonostante ciò, tale tecnologia presenta ancora ampi margini di miglioramento sotto diversi aspetti, che spesso richiedono lo studio di materiali innovativi.

Materiale catodico (Riduzione O2 -> O2- + 2e-)
Sostituzione dell’unico materiale commerciale per SOFC alimentate ad idrogeno (Perovskite: La1-xSrxCo1-yFeyO3)

Materiale anodico (Ossidazione combustibile)
Utilizzo diretto di combustibili diversi dall’idrogeno come semplici idrocarburi o ammoniaca



STORAGE DI ENERGIA

Altro ambito di ricerca è la creazione di materiali per elettrolizzatori ad ossido solido (SOEC), i quali permettono la generazione di H2 tramite elettrolisi dell’acqua. L’obiettivo finale è la realizzazione di una cella reversibile (R-SOC), la quale racchiude in unico dispositivo l’attività di SOFC e SOEC. Combinando tale dispositivo con una fonte di energia rinnovabile, se si ha una grande produzione di energia si può utilizzare parte di questa per la generazione di idrogeno (SOEC), che verrebbe sfruttato poi dalla SOFC nel momento in cui la fonte rinnovabile (solare, eolica,…) non riesce a soddisfare il fabbisogno.



CATALISI

Nell'area di CATALISI del gruppo IMPACT ci focalizziamo sul design, la sintesi e lo studio di materiali innovativi per l'abbattimento di inquinanti ed il riciclo della CO2. Limitiamo fortemente l'uso di PGMs (metalli nobili) e CRMs (Critical Raw Materials) nei nostri catalizzatori con l'obiettivo di superare la dipendenza tecnologia da queste risorse sempre più costose ed a rischio approvvigionamento. Ci concentriamo su applicazioni di grande rilevanza ambientale ed industriale, per esempio: TWC, metanazione della CO2, applicazioni del NOx, ossidazione del metano, processi di reforming, CO-PROX, ossidazione selettiva dell'ammoniaca...

Stiamo sperimentando nuovi metodi di sintesi, come il processo di EXSOLUTION per la sintesi di nanoparticelle metalliche supportate su ossidi con eccezionali proprietà catalitiche e di stabilità. I REATTORI A MEMBRANA stanno guadagnandosi grande importanza nella ricerca grazie alla loro versatilità e all'aumento di selettività nelle reazioni, offrendo tantissimo spazio a nuova ricerca. Unendo le caratterizzazioni dei nostri materiali a test in regime di CHEMICAL LOOPING (invio alternato di due reagenti puri sul catalizzatore) possiamo arrivare a conoscere i processi che regolano l'attività catalitica in modo da arrivare ad un design intelligente dei materiali.


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