Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si propone di fornire agli studenti le conoscenze relative ai sistemi elettrochimici per la generazione e conversione dell'energia, compresi i materiali, i loro processi di sintesi e le applicazioni dei dispositivi. Con questo corso verranno presentati i materiali (classificazione, sintesi e integrazione) utilizzati nei dispositivi elettrochimici come celle a combustibile, elettrolizzatori e sistemi bioelettrochimici. All'interno del corso verranno valutati gli aspetti di catalisi ed elettrocatalisi, i fenomeni di trasporto che avvengono sugli elettrodi, i processi elettrochimici, i metodi e l'integrazione degli elettrodi e della fabbricazione degli elettroliti, il funzionamento tecnologico e le prestazioni elettrochimiche.
Contenuti sintetici
Catalisi ed elettrocatalisi. Tecnologie elettrochimiche per la conversione e la generazione di energia. Elettrolizzatori ad acqua, celle a combustibile, riduzione dell'anidride carbonica, sistemi bioelettrochimici.
Programma esteso
Dalla catalisi termica all'elettrocatalisi: brevi richiami di aspetti teorici fondamentali in ambito eterogeneo catalisi ed elettrocatalisi: cinetica di reazione, meccanismo, barriere e sovrapotenziale.
Qual è il vero catalizzatore? L'interazione tra esperimenti e modellistica 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 modellizzazione 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 prevista, 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 d'acqua. Classificazione degli elettrolizzatori (elettrolizzatori AEL, PEMEL, AEMEL, SOEC, CO2). Strategie per ottimizzare i percorsi di reazione (reazione di evoluzione dell'idrogeno, reazione di evoluzione dell'ossigeno, elettroriduzione della CO2).
Individuazione delle prestazioni, curve di polarizzazione, perdite, problemi di durabilità. Effetto dei parametri operazionali (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 membrane ed elettrodi. Identificazione delle lacune e proposte di soluzioni. Sostituzione di materie prime critiche (es. Pt, Ir e Co) e composti fluorurati. Operazioni del dispositivo.
Celle a combustibile. Classificazione delle celle a combustibile funzionanti con materie prime gassose (PEMFC, AEMFC, AFC, MCFC, SOFC) e liquide (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). Individuazione 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 membrane ed elettrodi. Identificazione delle lacune e proposte di soluzioni. 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, ecc). Interazione batterico-superficie o enzima-superficie. Modifica della superficie per migliorare/diminuire l'attaccamento di batteri/enzimi. Meccanismi di reazione di microrganismi ed enzimi (batterici ed enzimatici). Identificazione delle lacune e proposte di soluzioni. Operazioni del dispositivo
Applicazione di dispositivi elettrochimici. Il corso si completerà con una discussione sui dispositivi allo stato dell'arte nei diversi settori di interesse come quello automobilistico, residenziale e industriale fornendo una tabella di marcia verso l'obiettivo UE della decarbonizzazione nel 2050.
Prerequisiti
Conoscenze standard di fisica e matematica, termodinamica e cinetica dei sistemi chimici.
Consigliato: Fondamenti di Elettrochimica per l'immagazzinamento dell'energia
Modalità didattica
16 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
12 attività di esercitazione da 2 ore in presenza, Didattica Interattiva
Materiale didattico
Slide proiettata a lezione e capitoli selezionati dei seguenti libri:
• 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 (semestre intero)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Presentazione di un articolo di review alla fine del corso.
Non sono previste prove in itinere intermedie.
Verrà valutata la modalità di presentazione, la conoscenza dell'argomento e la capacità a rispondere alle domande.
Inoltre, verranno valutate le competenze acquisite durante il corso.
Orario di ricevimento
Su appuntamento contattando i docenti 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
16 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
12 two-hour practical classes, in person, Interactive Teaching
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
Presentation of a review article at the end of the course.
There are no intermediate ongoing tests.
The presentation method, knowledge of the topic and ability to answer questions will be assessed.
Furthermore, the skills acquired during the course will be evaluated.
Office hours
On appointment contacting the Lecturers via email.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Carlo Santoro
-
Sergio Paolo Tosoni
