Course Syllabus
Obiettivi
Nella parte frontale (5 CFU) sono presentati i concetti fondamentali della chimica fisica dei conduttori ionici e dell'elettrochimica, sia nei suoi aspetti termodinamici sia cinetici con particolare riguardo allo stato solido. I concetti saranno quindi coniugati nel campo delle tecnologie elettrochimiche per la conversione dell'energia e della corrosione e protezione dei materiali metallici.
La parte di laboratorio (3 CFU) è dedicata alla preparazione e caratterizzazione di materiali funzionali. Le tecniche utilizzate sono FT-IR, XRPD, tecniche elettrochimiche fondamentali e spettroelettrochimica.
Contenuti sintetici
Chimica fisica dei conduttori ionici. Elettrodica. Batterie e celle a combustibile. Corrosione.
Esperienze di laboratorio.
Programma esteso
Introduzione, concetti fondamentali, sviluppo storico e ruolo dell’elettrochimica nella scienza moderna.
La chimica fisica dei conduttori ionici: le soluzioni elettrolitiche (solvatazione, interazioni ione ione e teoria di Debye Huckel, trasporto ionico in soluzione, diffusione e migrazione, conducibilità), elettroliti solidi, il caso dei polimeri.
Il potenziale d'elettrodo: relativo e assoluto, potenziale Volta, di superficie e Galvani, potenziale elettrochimico, teoria del doppio strato elettrico; termodinamica elettrochimica e legge di Nernst, semielementi galvanici e serie elettrochimiche
Squilibrio di elettrodo sotto corrente: sovratensione di trasferimento di carica (corrente di scambio, coefficiente di trasferimento di carica, equazione di Butler Volmer, casi limite e legge di Tafel), sovratensione di diffusione e corrente limite, altri tipi di sovratensione.
Dispositivi per la conversione diretta dell'energia chimica in energia elettrica. Termodinamica e cinetica della corrosione, elementi galvanici in corto circuito, protezione anodica e catodica.
Esempi di esperienze di laboratorio:1) caratterizzazione strutturale ed elettrochimica di polveri policristalline ed elettrodi per batterie ricaricabili a ioni litio;
2) preparazione e caratterizzazione di semiconduttori organici;
3) determinazione della concentrazione di ossigeno interstiziale in wafer di silicio monocristallino;
4) corrosione di metalli inox in presenza di acidi.
5) batterie metallo/aria
Prerequisiti
Oltre ai normali prerequisiti fisico matematici necessari per affrontare un corso di chimica fisica di base, sono necessarie conoscenze preliminari di termodinamica e cinetica chimica
Modalità didattica
Lezioni in aula (5 CFU), esercitazioni di gruppo in laboratorio (3 CFU).
Materiale didattico
Dispense delle lezioni del docente, capitoli di libri di testo:
Bockris Reddy, Modern Electrochemistry 1 – Ionics (second edition) capitoli 2,3,4
Bockris Reddy Gamboa-Aldeco, Modern Electrochemistry 2A – Fundamental of Electrodics (second edition), capitoli 6,7
Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition), capitoli 3,4
Articoli scientifici forniti dal docente
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Lezioni frontali: primo semestre
Laboratorio: secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Contenuto delle lezioni frontali: esame orale in cui saranno verificate le conoscenze dei concetti di base (requisiti minimi) delle loro applicazioni avanzate.
Gli studenti dovranno consegnare un elaborato scritto per ciascuna esperienza in forma di articolo scientifico. Gli elaborati saranno giudicati sulla base della coerenza interna (struttura dell'elaborato), sulla correttezza scientifica e sui risultati prodotti.
La media pesata sui CFU delle due valutazioni costituisce il voto finale.
Orario di ricevimento
Su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
Aims of the lectures (5 CFU) are to supply the student with base knowledge about the physical chemistry of ionic conductors and the electrochemistry and its application in the energy conversion by electrochemical devices and in corrosion and protection of metals.
The lab part (3 CFU) is devoted to the characterization of functional materials. In the lab FT-IR, XRPD, electrochemical and spectroelectrochemial techniques will be used.
Contents
Ionics and Electrodics. Batteries and Fuel Cells. Corrosion. Lab. experience.
Detailed program
Fundamental aspects, development and the relation of electrochemistry to other sciences. Ionic conductors: ion-solvent interaction, ion-ion interaction and Debye-Hückel theory; diffusion, migration and conductivity; solid state electrolytes, polymer electrolytes.
Fundamentals of Electrodics: electrochemical potential, double-layer theories and adsorption phenomena; electrochemical thermodynamics and Nernst law, electrode types.
Electrodics: electron transfer at the interface and overpotential, charge transfer overpotential, exchange current, symmetry factor, Butler Volmer equation and Tafel law, diffusion overpotential and limiting current, other kinds of overpotential.
Electrochemical conversion of chemical energy into electrical energy: batteries and fuel cells. Thermodynamics and kinetic of corrosion, the galvanic element in short circuit, corrosion prevention.
Lab. experiences:
1) Structural and electrochemical characterization of materials for secondary lithium ion batteries,
2) Preparation and characterization of organic semiconductors,
3) Determination of oxygen impurities in silicon wafers,
4) Corrosion of metals in acidic solutions.
5) Metal/air batteries
Prerequisites
Standard physic and mathematic knowledge , thermodynamic and kinetic of chemical systems
Teaching form
Lectures (5 CFU), lab experiences (3 CFU) in group of 3 to 5 students.
Textbook and teaching resource
Teacher's slides and slected chapters from the following books:
Bockris Reddy, Modern Electrochemistry 1 – Ionics (second edition) chapters 2,3,4
Bockris Reddy Gamboa-Aldeco, Modern Electrochemistry 2A – Fundamental of Electrodics (second edition), chapters 6,7
Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition), chapters 3,4
Selected scientific papers
Semester
Lectures: first semester
Lab class: second semester
Assessment method
Oral exam to verify the student knowledge about the fundamental concepts and their applications.
For each lab experiences, the students will prepare a scientific paper which will be judged regarding the internal coherence, the scientific correctness and the quality of the results.
The final score will be the weighted average of the two scores
Office hours
On appointment
Sustainable Development Goals
Staff
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Chiara Ferrara
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Jacopo Pedrini
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Riccardo Ruffo
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Carlo Santoro
