Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si propone di fornire agli studenti le conoscenze relative ai sistemi elettrochimici per la generazione e la conversione dell'energia, inclusi i materiali, i loro processi di sintesi e le applicazioni dei dispositivi. Con questo corso verranno presentati i materiali (classificazione, sintesi e integrazione) utilizzati in dispositivi elettrochimici quali celle a combustibile, elettrolizzatori e sistemi bioelettrochimici. Nell'ambito del corso verranno valutati gli aspetti di catalisi ed elettrocatalisi, i fenomeni di trasporto che avvengono sugli elettrodi, i processi elettrochimici, i metodi di fabbricazione e integrazione degli elettrodi e degli elettroliti, il funzionamento tecnologico e le prestazioni elettrochimiche.
Contenuti sintetici
Catalisi ed elettrocatalisi. Tecnologie elettrochimiche per la conversione e la generazione dell'energia. Elettrolizzatori ad acqua, celle a combustibile, trasformazione elettrochimica di anidride carbonica, sistemi bioelettrochimici.
Programma esteso
Dalla catalisi termica all'elettrocatalisi: cenni sugli aspetti teorici fondamentali della catalisi eterogenea, e dell'elettrocatalisi: cinetica di reazione, meccanismo, barriere e sovrapotenzialità.
Qual è il vero catalizzatore? L'interazione tra sperimentazione e modellazione nella caratterizzazione delle caratteristiche strutturali e chimiche del catalizzatore: definizione del sito attivo, caratterizzazione morfologica e chimica delle specie attive mediante tecniche microscopiche e spettroscopiche e modellazione teorica.
Elettrocatalisi al lavoro: razionalizzazione dell'andamento dell'attività nella reazione di riduzione dell'ossigeno, scissione dell'acqua, reazione di evoluzione dell'idrogeno, reazione di evoluzione dell'ossigeno, elettroriduzione della CO2: meccanismi di reazione, attività attesa, pro e contro dei vari elettrocatalizzatori.
Dalle nanoparticelle ai singoli atomi: l'aspetto dimensionale di un catalizzatore. Una panoramica critica sull'uso di specie catalitiche altamente disperse.
Elettrolizzatori. Classificazione degli elettrolizzatori (AEL, PEMEL, AEMEL, SOEC, elettrolizzatori CO2). Strategie per ottimizzare le vie di reazione (reazione di evoluzione dell'idrogeno, reazione di evoluzione dell'ossigeno, elettroriduzione della CO2). Identificazione delle prestazioni, curve di polarizzazione, perdite, problemi di durabilità. Effetto dei parametri operativi (es. T, P) sull'elettrochimica. Materiali organici, inorganici e ibridi per elettrocatalizzatori e membrane. Fabbricazione di architetture di elettrocatalizzatori, membrane polimeriche e loro integrazione nell'assemblaggio di elettrodi a membrana. Individuazione delle limitazioni e soluzioni proposte. Sostituzione di materie prime critiche (es. Pt, Ir e Co) e composti fluorurati. Operazioni del dispositivo.
Celle a combustibile. Classificazione delle celle a combustibile alimentati con gas (PEMFC, AEMFC, AFC, MCFC, SOFC) o liquidi (DMFC, DEFC, DFAFC, ecc.). Strategie per ottimizzare le vie di reazione (reazione di ossidazione dell'idrogeno, reazione di ossidazione dell'alcool, reazione di riduzione dell'ossigeno). Identificazione delle prestazioni, curve di polarizzazione, perdite, problemi di durabilità. Effetto dei parametri operativi (es. T, P, ecc.) sull'elettrochimica. Materiali organici, inorganici e ibridi per elettrocatalizzatori e membrane. Fabbricazione di architetture di elettrocatalizzatori, membrane polimeriche e loro integrazione nell'assemblaggio di elettrodi a membrana. Individuazione delle lacune e soluzioni proposte. Sostituzione di materie prime critiche (es. Pt e Co) e composti fluorurati. Operazioni del dispositivo.
Sistemi bioelettrochimici. Classificazione dei sistemi bioelettrochimici (MFC, MEC, MDC, EFC, etc). Interazione batterico-superficie o enzima-superficie. Modifica della superficie per migliorare/diminuire l'attacco batterico/enzimatico. Meccanismi di reazione di microrganismi ed enzimi (batterici ed enzimatici). Individuazione delle limitazioni e soluzioni proposte. Operazioni del dispositivo.
Applicazione di dispositivi elettrochimici. Il corso sarà completato con una discussione sui dispositivi allo stato dell'arte nei diversi settori di interesse come automobilistico, residenziale e industriale fornendo una tabella di marcia verso l'obiettivo UE della decarbonizzazione nel 2050.
Prerequisiti
Conoscenze fisiche e matematiche standard, termodinamica e cinetica dei sistemi chimici.
Suggerito: Fondamenti di Elettrochimica per l'accumulo dell'Energia
Modalità didattica
In presenza.
Materiale didattico
I professori proietteranno slides e indicheranno capitoli di seguenti libri:
• Selected scientific papers and reviews
• Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition)
• IRENA Report (IRENA (2020), Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5oC Climate Goal, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi)
• Fuller and Harb, Electrochemical Engineering, Wiley 2018
• Pei Kang Shen, Chao-Yang Wang, San Ping Jiang, Xueliang Sun, Jiujun Zhang. Electrochemical Energy Advanced Materials and Technologies. 2017. CRC Press
• F. Marken, D. Fermin. Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide: Overcoming the Limitations of Photosynthesis. RSC Publishing. 2018
• S. Cosnier. Bioelectrochemistry: Design and Applications of Biomaterials. Publisher: De Gruyter. Edited by Serge Cosnier. ISBN 978-3-11-056898-1. DOI : 10.1515/9783110570526-010
• Xu, Kang “Electrolytes, Interfaces and Interphases Fundamentals and Applications in Batteries”, RSC Publishing
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo Semestre (intero semestre)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Progetto di ricerca su un argomento relativo al corso. (50%)
Presentazione del progetto. (50%)
Orario di ricevimento
Su appuntamento via email.
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to provide the students with knowledge related to the electrochemical systems for energy generation and conversion including materials and their synthesis processes and device applications. With this course, the materials (classification, synthesis and integration) used in electrochemical devices such as fuel cells, electrolyzers and bioelectrochemical systems will be presented. Within the course, catalysis and electrocatalysis aspects, transport phenomena occurring on the electrodes, electrochemical processes, electrodes and electrolyte fabrication methods and integration, technological operation and electrochemical performance will be evaluated.
Contents
Catalysis and electrocatalysis. Electrochemical technologies for energy conversion and generation. Water electrolyzers, fuel cells, carbon dioxide reduction, bioelectrochemical systems.
Detailed program
From thermal catalysis to electrocatalysis: short recall of fundamental theoretical aspects in heterogeneous catalysis, and electrocatalysis: reaction kinetics, mechanism, barriers, and overpotential.
What is the actual catalyst? The interplay between experiments and modelling in characterizing the structural and chemical features of the catalyst: definition of the active site, morphological and chemical characterization of the active species by means of microscopic and spectroscopic techniques and theoretical modelling.
Electrocatalysis at work: rationalization of the activity trends in oxygen reduction reaction, water splitting, hydrogen evolution reaction, oxygen evolution reaction, CO2 electroreduction: reaction mechanisms, expected activity, pros and cons of various electrocatalysts.
From nanoparticles to single atoms: the size aspect of a catalyst. A critical overview on the usage of highly dispersed catalytic species.
Water Electrolyzers. Classification of electrolyzers (AEL, PEMEL, AEMEL, SOEC, CO2 electrolyzers). Strategies to optimize the reaction pathways (hydrogen evolution reaction, oxygen evolution reaction, CO2 electroreduction). Identification of performance, polarization curves, losses, durability issues. Effect of operational parameters (e.g. T, P) on the electrochemistry. Organic, inorganic and hybrid materials for electrocatalysts and membranes. Fabrication of electrocatalysts architectures, polymeric membranes and their integration in membrane electrode assembly. Identification of gaps and proposed solutions. Substitution of critical raw materials (e.g. Pt, Ir and Co) and fluorinated compounds. Device operations.
Fuel Cells. Classification of fuel cells operating with gaseous feedstock (PEMFC, AEMFC, AFC, MCFC, SOFC) and liquid feedstock (DMFC, DEFC, DFAFC, etc). Strategies to optimize the reaction pathways (hydrogen oxidation reaction, alcohol oxidation reaction, oxygen reduction reaction). Identification of performance, polarization curves, losses, durability issues. Effect of operational parameters (e.g. T, P, etc) on the electrochemistry. Organic, inorganic and hybrid materials for electrocatalysts and membranes. Fabrication of electrocatalysts architectures, polymeric membranes and their integration in membrane electrode assembly. Identification of gaps and proposed solutions. Substitution of critical raw materials (e.g. Pt and Co) and fluorinated compounds. Device operations
Bioelectrochemical systems. Classification of bioelectrochemical systems (MFC, MEC, MDC, EFC, etc). Interaction bacterial-surface or enzyme-surface. Modification of surface for enhancing/decrease bacterial/enzyme attachment. Reaction mechanisms of microorganisms and enzymes (bacterial and enzymatic). Identification of gaps and proposed solutions. Device operations
Application of electrochemical devices. The course will be completed with a discussion on the devices at the state of the art in the different sectors on interest such as automotive, residential, and industrial giving a roadmap towards the EU goal of decarbonization in 2050.
Prerequisites
Standard physic and mathematic knowledge, thermodynamic and kinetic of chemical systems.
Suggested: Fundamentals of Electrochemistry for Energy Storage
Teaching form
Face to face
Textbook and teaching resource
Teacher's slides and selected chapters from the following books:
• Selected scientific papers and reviews
• Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition)
• IRENA Report (IRENA (2020), Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5oC Climate Goal, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi)
• Fuller and Harb, Electrochemical Engineering, Wiley 2018
• Pei Kang Shen, Chao-Yang Wang, San Ping Jiang, Xueliang Sun, Jiujun Zhang. Electrochemical Energy Advanced Materials and Technologies. 2017. CRC Press
• F. Marken, D. Fermin. Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide: Overcoming the Limitations of Photosynthesis. RSC Publishing. 2018
• S. Cosnier. Bioelectrochemistry: Design and Applications of Biomaterials. Publisher: De Gruyter. Edited by Serge Cosnier. ISBN 978-3-11-056898-1. DOI : 10.1515/9783110570526-010
• Xu, Kang “Electrolytes, Interfaces and Interphases Fundamentals and Applications in Batteries”, RSC Publishing
Semester
Second Semester (entire semester)
Assessment method
Research project on a topic related to the course. (50%)
Oral presentation at the end of the course. (50%)
Office hours
On appointment contacting the Lecturer via email.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Carlo Santoro
-
Sergio Paolo Tosoni
