Course Syllabus
Obiettivi
Lo studente dovrà acquisire i fondamenti teorici, concettuali e metodologici sugli aspetti fondamentali e le applicazioni della catalisi, con particolare enfasi nell’ambito energetico ed ambientale.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conoscerà:
- i principi fondamentali della catalisi omogenea ed eterogenea;
- i principi fondamentali della fotocatalisi e dell’elettrocatalisi;
- i metodi per preparare i catalizzatori omogenei and eterogenei;
- i metodi per caratterizzare l’attività catalitica e selettività catalitica;
- i metodi per determinare i meccanismi di reazione, con misure cinetiche e con spettroscopie specifiche;
- le principali applicazioni della catalisi nel campo dell’energia, dell’industria chimica, della biochimica, dell’ambiente, ecc.
- le principali aree di ricerca nell’ambito della catalisi per applicazioni ambientali e energetiche e le relative criticità.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- riconoscere il valore aggiunto della catalisi e della sua importanza per accelerare le reazioni chimiche, scegliere le tecniche di caratterizzazione più adatte, individuare gli step limitanti la reazione e come progettare un catalizzatore per accelerarli;
- valutare il tipo di catalisi più adatto per una data reazione chimica ed individuare le metodologie di progettazione più idonee.
L’obbiettivo finale del corso è rendere lo studente in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante gli aspetti chimici della catalisi.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- Riconoscere le potenzialità della catalisi nell’industria chimica, energetica ed ambientale;
- Riconoscere potenziale innovativo e le potenziali ricadute a lungo termine della ricerca nell’ambito della catalisi.
Abilità comunicative
-Al termine del corso lo studente ha appreso come descrivere in una relazione tecnica i principali avanzamenti in un dato settore nell’ambito della catalisi e ad esporre in modo chiaro e sintetico con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle elaborazioni effettuate.
Contenuti sintetici
- Aspetti fondamentali della catalisi: cinetica di reazione, meccanismi di reazione e ruolo del catalizzatore
- Classificazione della catalisi: catalisi omogenea, catalisi eterogenea, fotocatalisi ed elettrocatalisi: differenze e analogie, esempi rappresentativi
- Preparazione e caratterizzazione del catalizzatore, attività e selettività catalitica, misura delle proprietà catalitiche
- Applicazioni della catalisi con particolare enfasi alle applicazioni energetiche e ambientali.
Programma esteso
1. Aspetti fondamentali: cosa è la catalisi?
Cinetica chimica, catalisi e meccanismi di reazione: stadi limitanti la reazione
2. Tipi catalisi
Catalisi omogenea
Catalisi eterogenea
Fotocatalisi
Elettrocatalisi
3. Preparazione e caratterizzazione del catalizzatore
Preparazione del materiale catalitico
Attività e selettività del catalizzatore
Misura delle proprietà catalitiche
4. Applicazioni della catalisi
Catalisi per l’industria chimica, automobilistica, alimentare e farmaceutica
Catalisi per l’ambiente e contro i cambiamenti climatici
Catalisi per la conversione e lo stoccaggio dell’energia
Prerequisiti
Conoscenze di base di chimica generale, chimica molecolare, di chimica dei solidi, e di spettroscopie.
Modalità didattica
Lezioni frontali con preparazione e discussione di un elaborato.
Materiale didattico
Slides presentate a lezione e letture in esse suggerite.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La verifica del profitto consiste in una valutazione dei concetti fondamentali esposti a lezione e dalla preparazione di un elaborato su un argomento selezionato tra quelli proposti inerenti la catalisi in ambito di produzione di energia sostenibile, chimica ambientale, agricoltura sostenibile, nuovi materiali innovativi, ecc.
La valutazione dei concetti fondamentali trattati a lezione avverrà tramite prove parziali sui contenuti del corso.
La valutazione dell'elaborato riguarderà i seguenti aspetti:
-
Il processo di scelta dell'argomento, ricerca bibliografica, organizzazione del materiale, preparazione della bozza e incorporazione del riscontro verrà considerato per valutare l'autonomia e le capacità organizzative dello studente.
-
La presentazione orale, di fronte a tutto il gruppo di studenti, permetterà di valutare le capacità espositive dello studente e la capacità di individuare avanzamenti particolarmente promettenti in un dato ambito della catalisi.
-
La presentazione verrà seguita da una discussione aperta, con domande e contradditorio da parte dei presenti, che permetteranno di verificare il livello delle conoscenze acquisite e l’autonomia di analisi e giudizio.
La presentazione e discussione dell'elaborato possono essere sostenute a scelta dello studente in lingua italiana o lingua inglese.
Il voto finale, espresso in trentesimi con eventuale lode, è dato dalla media pesata delle valutazioni ottenute nelle diverse prove (prove parziali 25%, elaborato 75%).
Orario di ricevimento
Qualsiasi giorno lavorativo previo appuntamento e disponibilità del docente.
Sustainable Development Goals
Aims
The student will acquire the theoretical, conceptual, and methodological fundamentals on the key aspects and applications of catalysis, in particular for the fields of environment and energy transition.
Key knowledge and understanding
At the end of the course the student knows:
- the fundamentals of homogeneous and heterogeneous catalysis;
- the fundamentals of photocatalysis and electrocatalysis;
- preparation methods of homogeneous and heterogenous catalysts;
- characterization methods of catalytic activity and selectivity;
- methods to identify the reaction mechanisms, including kinetic and spectroscopic techniques;
- the main applications of catalysis in the fields of energy, chemical industry, biochemistry, environment, etc.
- the main research areas in the field of catalysis for environment and energy applications and their challenges.
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student is able to:
- Recognize the added value of catalysis and its importance in accelerating chemical reactions, choose the most suitable characterization techniques, identify the rate limiting step of a chemical reaction and how to design a catalyst to speed them up;
- Evaluate the most suitable kind of catalyst of a given chemical reaction and identify the most suited design tools.
The final goal of the course is to make the student able to apply the acquired knowledge to contexts different from those presented during the course, and to understand the topics covered in the scientific literature concerning the chemical aspects of catalysis.
Independent thinking
At the end of the course the student is able to:
- Recognize the potential of catalysis for immediate practical applications in the chemical, energy and environmental industries;
- Recognize the innovative potential of research potential long-term effects of research in the field of catalysis.
Communication skills
At the end of the course the student has learned how to describe in a technical report the main advances in a given catalytic process and to clearly and synthetically explain the objectives, procedures and results of the analysis carried out with adequate scientific language.
Contents
- Fundamentals of catalysis: kinetics of reaction, reaction mechanisms, role of catalysis
- Catalysis classification: homogeneous catalysis, heterogeneous catalysis, photocatalysis, electrocatalysis: differences and analogies, representative examples
- Synthesis and characterization of catalysts, catalytic activity and selectivity, measurement of catalytic properties
- Applications of catalysis with particular emphasis to energy and environmental applications.
Detailed program
1. Fundamentals: what is catalysis?
Chemical kinetics, catalysis and reaction mechanisms: reaction rate limiting steps
2. Catalysis classification
Homogeneous catalysis
Heterogeneous catalysis
Photocatalysis
Electrocatalysis
3. Catalyst preparation and characterization
Preparation of catalytic materials
Catalytic activity and selectivity
Measurement of catalytic properties
4. Applications of catalysis
Catalysis for chemical, automotive, food and pharmaceutical industries
Catalysis for the environment and to reverse climate change
Catalysis for energy conversion and storage
Prerequisites
Basic knowledge of general chemistry, molecular chemistry, solid state chemistry, and spectroscopy.
Teaching form
Classroom lectures with preparation and discussion of a scientific report.
Textbook and teaching resource
Slides presented and suggested reading therein.
Semester
First semester.
Assessment method
The assessment method consists in an evaluation of the fundamental concepts presented in the lectures and in the preparation of a final project on a topic selected among the ones proposed related to catalysis in the field of sustainable energy, environmental chemistry, new innovative materials, etc.
The assessment of the fundamental concepts presented in the lectures will take place through short tests.
The final project will be evaluated with respect to the following aspects:
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The process of project selection, bibliographical search, outlining, preparing a draft and incorporating feedback, to assess the student autonomy and organizational skills.
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The oral presentation, in front of the whole group of students to evaluate the student's presentation skills and the ability to identify particularly promising advances in a given catalysis sector.
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The presentation will be followed by an open discussion, with questions and argumentation, to evaluate the level of acquired knowledge and the autonomy of analysis and judgment.
The presentation and discussion can take place in Italian or English at the choice of the student.
The final grade, expressed in thirtieths with possible “laude”, is the weighted average of the grades of the different evaulations (tests 25%, final project 75%).
Office hours
Any working day by appointment and availability of the teacher.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Livia Giordano
