Syllabus del corso
Obiettivi
Fornire una panoramica su sistemi a base organica e ibrida per la produzione, conversione e stoccaggio dell’energia utilizzando fonti di energia rinnovabili.
O1 – Conoscenza e capacità di comprensione
Allo studente si richiede di mostrare una sufficiente conoscenza, una adeguata comprensione e padronanza della chimica e di quella organica nel:
1) comprendere quali siano i sistemi organici o legami nei quali è possibile stoccare energia
2) comprendere le tipologie di energia che è possibile immagazzinare
3) comprendere le strutture chimiche in grado di interagire con la radiazione elettromagnetica di origine solare e utili nella produzione di combustibili rispettosi dell'ambienti e/o rinnovabili
4) comprendere in quali sistemi organici è possibile stoccare idrogeno o energia.
5) comprendere i principali processi fotofisici e fotochimici coinvolti nell’assorbimento di radiazione elettromagnetica (luce UV-Vis) e utili nello stoccaggio di energia e nella produzione di combustibili rinnovabili
O2 – Capacità di applicare conoscenza e capacità di comprensione (applying knowledge and understanding)
Allo studente, durante la modalità di verifica dell’apprendimento, si richiede di dimostrare una adeguata capacità nell’applicare la conoscenza e la comprensione dei concetti acquisiti nel:
1) individuare sistemi organici o legami nei quali è possibile stoccare energia
2) individuare le tipologie di energia che puo' essere immagazzinata
3) Individuare sistemi in grado di utilizzare la radiazione elettromagnetica di origine solare per la produzione di combustibili rispettosi dell'ambienti e/o rinnovabili
4) Individuare sistemi a base organica per lo stoccaggio di idrogeno o energia.
5) applicare principali processi fotofisici e fotochimici coinvolti nell’assorbimento di radiazione elettromagnetica (luce UV-Vis) allo stoccaggio di energia e alla produzione di combustibili rinnovabili
O3 – Autonomia di giudizio
Saper condurre una ragionata analisi dei sistemi organici potenzialmente utili nelle problematiche energetiche e ambientali.
O4 – Abilità comunicative
Saper illustrare e identificare i sistemi organici di interesse per l'energetica sostenibile, illustrare con proprietà di linguaggio i sistemi più significativi illustarndone anche i protocolli utili alla loro preparazione.
O5 –Abilità Capacità di apprendere
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite nel campo dell'energetica sostenibile.
Contenuti sintetici
Il Corso si propone di fornire una panoramica delle molecole e polimeri per la produzione, conversione e stoccaggio dell’energia con relativo basso impatto ambientale partendo da fonti di energia rinnovabili. Il corso descrive: a) sistemi a base organica polimerica per trasportare e stoccare l'energia; b) sistemi a base organica (molecolare o polimerica) e organometallica per applicazione fotovoltaiche; c) sistemi a base organica e organometallica per la produzione di combustibili solari mediante processi di fotoscissione dell'acqua o riduzione della CO2 per la produzione di E-Fuel; d) sistemi a base organica e organometallica per l'accumulo di energia.
Programma esteso
Panoramica sui sistemi di produzione, conversione e stoccaggio di energia. Concetto di energia chimica e sua applicazione nella progettazione di sistemi organici per l’immagazzinamento dell’energia. Richiamo di design molecolare e principali interazioni supramolecolari in materiali organici per applicazioni energetiche. Richiami di fotochimica (interazione luce materia e processi fotoattivati). Polimeri conduttori e applicazioni nel campo del trasporto e dello stoccaggio di energia. Sistemi per applicazioni fotovoltaiche (dye-sensitized solar cells, fotovoltaico organico-polimerico, celle a perovskiti, celle tandem). Sistemi per la produzione di idrogeno per foto-dissociazione dell’acqua e riduzione fotocatalitica, sistemi per la produzione di idrocarburi (metano o C2+) da anidride carbonica. Sistemi organici e organometallici nella realizzazione di sistemi di fotosintesi artificiale di combustibili impiegando l’energia solare (solar fuels). Materiali organici per lo stoccaggio di energia e differenti possibili sistemi redox per la produzione di batterie organiche alternative a quelle a Li/Li+. Batterie redox a flusso. Cenni di sistemi organici per lo stoccaggio di idrogeno.
Prerequisiti
Per seguire in maniera ottimale gli argomenti trattati sono richieste consolidate conoscenze di chimica organica di base e qualche nozione relativamente all'interazione della radiazione elettromagnetica con le molecole (stati eccitati e meccanismi di rilassamento, assorbimento e emissione).
Modalità didattica
- 22 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza
- 2 esercitazioni da 2 ore in presenza in modalità erogativa nella parte iniziale che è volta a coinvolgere gli studenti in modo interattivo nella parte successiva. Didattica mista.
Materiale didattico
H. Tian, G. Boschloo, A. Hagfeldt, Molecular Devices for Solar Energy Conversion and Storage, Springer, 2018 (https://doi.org/10.1007/978-981-10-5924-7)
Appunti, articoli o/e dispensa fornita dai docenti
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I anno, II semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La verifica dell'acquisizione degli argomenti e dei concetti trattati durante il corso sarà condotta mediante un esame orale nel quale agli studenti saranno poste domande inerenti tutti gli aspetti trattati. Al termine della verifica sarà proposto allo studente una valutazione in trentesimi. L'esame è superato con un voto di 18/30. Dall'A, A. 2016/2017, gli esami sono stati superati con un voto medio di 27,9; voto minimo di 24 e massimo di 30 e lode.
Su richiesta dello studente, l’esame potrà essere sostenuto in lingua inglese
Viene applicato il seguente grado di giudizio in relazione ai seguenti parametri:
- Conoscenza concettuale e capacità di comprensione
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione
- Capacità comunicative e argomentative
- Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Votazione < 18
3
Conoscenza e Comprensione
Lo studente identifica solo parzialmente le caratteristiche dei concetti. Le connessioni tra i concetti risultano frammentarie e scarsamente supportate da conoscenze teoriche.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente individua solo alcuni elementi rilevanti in un fenomeno, senza riuscire a integrarli in un’analisi organica.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione essenziale, priva di articolazione logica e caratterizzata da numerose imprecisioni espositive.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente riesce a ricostruire solo alcuni aspetti del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale.
Votazione 18-22
Conoscenza e Comprensione
Lo studente riconosce e restituisce la maggior parte delle caratteristiche concettuali e riesce a fornirne una spiegazione relativamente coerente, sebbene con qualche imprecisione. I riferimenti teorici sono presenti ma non sempre in modo rigoroso.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente è in grado di riconoscere un numero significativo di elementi e di fornire una spiegazione parziale, pur evidenziando alcune lacune nell’analisi.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente costruisce un’argomentazione di base, dotata di una struttura minima ma con alcune imprecisioni.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente dimostra una consapevolezza di base del proprio percorso di apprendimento, riuscendo a tracciare collegamenti essenziali tra le esperienze formative, sebbene con alcune imprecisioni.
Votazione 23-27
Conoscenza e Comprensione
Lo studente dimostra una comprensione approfondita delle caratteristiche concettuali. Nella prova orale le spiegazioni risultano ben articolate e supportate da un uso adeguato dei riferimenti teorici.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente individua con precisione gli elementi essenziali di un fenomeno. L’applicazione delle conoscenze avviene con un rigore metodologico non sempre solido.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente sviluppa un’argomentazione coerente e ben organizzata, dimostrando una buona padronanza del linguaggio e una struttura logico-argomentativa solida. La comunicazione risulta chiara ed efficace.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente analizza il proprio percorso di apprendimento in modo chiaro e strutturato, mettendo in evidenza relazioni significative tra le diverse tappe evolutive e dimostrando una buona capacità di riflessione critica.
Votazione 28-30
Conoscenza e Comprensione
Lo studente evidenzia una padronanza completa dei concetti, articolando connessioni complesse e fornendo spiegazioni esaustive. I riferimenti teorici sono utilizzati con pertinenza e rigore.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente evidenzia una capacità avanzata di analisi di un fenomeno, individuando e interpretando in modo esaustivo tutti gli elementi salienti. L’applicazione delle conoscenze avviene con rigore metodologico, supportato da un’argomentazione solida e articolata.
Capacità comunicative e argomentative
Nella prova orale lo studente elabora un’argomentazione solida e articolata, con un impianto logico rigoroso e un elevato livello di coerenza testuale. Il discorso è fluido e ben strutturato.
Capacità di apprendimento, di autovalutazione e di autoregolazione
Lo studente evidenzia una capacità avanzata di autoriflessione, elaborando un’analisi articolata e approfondita del proprio percorso di apprendimento e sviluppo professionale. Le connessioni tra esperienze formative e concetti teorici risultano chiare, coerenti e rigorose.
Orario di ricevimento
Il prof. Manfredi riceve il tutti i giorni previo appuntamento.
Il prof. Abbotto riceve tutti i giorni previo appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
To provides an overview on organic and hybrid systems potentially exploitable in the production, conversion andstorage of energy using renewable energy sources.
O1 – knowledge and understanding
To the student is requested to show an adequate comprehension and skills of organic chemistry:
1) To recognize and to understand which are the organic systems or bonds where it is possible to store energy.
2) To recognize which type of energy is possible to store.
3) To recognize and to understand which organic chemical structure are able to interact with electromagnetic radiation (sun light) and useful in the production of renewable and environmental friendly fuels
4) To understand which organic systems are potentially exploitable in hydrogen or energy storage
5) To understand the principal photophysical and photochemical processes involved in the absorption of electromagnetic radiation (UV/Vis light) and useful in the energy storage and in the production of renewable fuels.
O2 – Applying knowledge and understanding
The student, during the assessment method has to demonstrate an adequate capability of applying the knowledge and understanding of the provided concepts:
1) To individuate organic systems or bonds where it is possible to store energy.
2) To individuate which type of energy is possible to store.
3) To individuate organic chemical structures are able to interact with electromagnetic radiation (sun light) and useful in the production of renewable and environmental friendly fuels
4) To individuate the chemical properties of organic systems useful for energy saving and competitive with convention inorganic ones (organic light emitting diodes).
5) To individuate which organic systems are potentially exploitable in hydrogen storage
6) To individuate the principal photophysical and photochemical processes involved in the absorption of electromagnetic radiation (UV/Vis light) useful to energy storage and to production of renewable fuels.
O3 – Making judgements
To be able to conduct a reasonable analysis on organic systems with potential utility in energy saving and environmental issues.
O4 –Communication skills
To be able to show and identify organic systems of interest for energy and environmental sustainability also illustrating the protocols for their preparation with an appropriated language.
O5 –Learning skills
To be able to apply the acquired knowledge to energy and environmental sustainability issues.
Contents
The course aims to provide an overview of molecules and polymers for the production, conversion and storage of energy with a relatively low environmental impact starting from renewable energy sources. The course describes: a) organic-polymer based systems for energy transport and storage; b) organic (molecular or polymeric) and organometallic based systems for photovoltaic applications; c) organic and organometallic based systems for the production of solar fuels by water photo-splitting processes or CO2 reduction for the production of E-Fuels; d) organic and organometallic based systems for energy storage.
Detailed program
Overview on systems used for energy production, conversion and storage. Concept of chemical energy and its application in planning organic systems for energy storage. Beckon of molecular design and main supramolecular interactions in organic materials for energy applications. Beckon of photochemistry (light-matter interaction and photoactivated processes). Conductive polymers and applications in the field of energy transport and storage. Systems for photovoltaic applications (dye-sensitized solar cells, organic photovoltaics, perovskite solar cells, tendem cells). Systems for hydrogen production via water photosplitting and photocatalytic reduction of water, systems for the production of hydrocarbons (methane or C2+) from carbodioxide and solar energy. Organic and/or organometallic systems mimic the photosynthesis in the production of fuels (solar fuels). Organic materials for energy storage and different possible redox systems for the production of organic batteries alternative to Li/Li+ ones. Redox flow batteries. Notes on organic systems for hydrogen storage.
Prerequisites
For an optimum understanding of the topic treated, a consolidated organic chemistry background is required together with basic knowledge on the interaction of electromagnetic radiation with the matter or molecules (excited states, relaxation mechanisms, absorption and emission properties)
Teaching form
22 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
2 two-hour practical classes in person in delivered mode in the initial part aimed at involving students interactively in the next part. Mixed teaching.
Textbook and teaching resource
H. Tian, G. Boschloo, A. Hagfeldt, Molecular Devices for Solar Energy Conversion and Storage, Springer, 2018 (https://doi.org/10.1007/978-981-10-5924-7)
Notes, slides and articles provided by the lecturers
Semester
I year and II semester
Assessment method
Oral examination is the assessment method employed to check the level of understanding of the concepts taught during the course. Questions will ask to the student regarding the entire topic treated during the course. A mark will be proposed to the student expressed in thirtieths. The exam is passed with a minimum mark of 18/30. From 2016/2017 academic year, the positive final examinations show an average mark of 27.9/30; minimum mark 24/30 and a maximum mark 30 with honors. On request, the assessment can be hold in English.
The following level of judgment is applied in relation to the following parameters:
- Conceptual knowledge and understanding ability
- Ability to apply knowledge and understanding
- Communication and argumentation skills
- Learning, self-assessment and self-regulation skills
Grade < 18
Knowledge and Understanding
The student only partially identifies the characteristics of the concepts. The connections between the concepts are fragmented and poorly supported by theoretical knowledge.
Ability to apply knowledge and understanding
The student identifies only some relevant elements in a phenomenon, without being able to integrate them into an organic analysis.
Communication and argumentation skills
In the oral exam, the student develops an essential argument, lacking logical articulation and characterized by numerous expository inaccuracies.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student is able to reconstruct only some aspects of his/her learning and professional development path.
Score 18-22
Knowledge and Understanding
The student recognizes and returns most of the conceptual characteristics and is able to provide a relatively coherent explanation, although with some inaccuracies. Theoretical references are present but not always rigorously.
Ability to apply knowledge and understanding
The student is able to recognize a significant number of elements and provide a partial explanation, although highlighting some gaps in the analysis.
Communication and argumentation skills
In the oral exam, the student constructs a basic argument, with a minimal structure but with some inaccuracies.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student demonstrates a basic awareness of his/her learning path, managing to trace essential connections between the formative experiences, although with some inaccuracies.
Score 23-27
Knowledge and Understanding
The student demonstrates an in-depth understanding of the conceptual characteristics. In the oral exam, the explanations are well-structured and supported by an adequate use of theoretical references.
Ability to apply knowledge and understanding
The student accurately identifies the essential elements of a phenomenon. The application of knowledge occurs with a methodological rigor that is not always solid.
Communication and argumentative skills
In the oral exam, the student develops a coherent and well-organised argument, demonstrating good command of the language and a solid logical-argumentative structure. Communication is clear and effective.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student analyses his/her learning path in a clear and structured way, highlighting significant relationships between the different evolutionary stages and demonstrating a good capacity for critical reflection.
Score 28-30
Knowledge and Understanding
The student demonstrates a complete mastery of the concepts, articulating complex connections and providing exhaustive explanations. Theoretical references are used with relevance and rigor.
Ability to apply knowledge and understanding
The student demonstrates an advanced ability to analyze a phenomenon, identifying and interpreting all the salient elements in an exhaustive manner. The application of knowledge occurs with methodological rigor, supported by a solid and articulated argument.
Communication and argumentative skills
In the oral exam, the student develops a solid and articulated argument, with a rigorous logical structure and a high level of textual coherence. The speech is fluid and well-structured.
Learning, self-assessment and self-regulation skills
The student demonstrates an advanced ability to self-reflect, developing a detailed and in-depth analysis of his/her own learning and professional development path. The connections between training experiences and theoretical concepts are clear, coherent and rigorous.
Office hours
Prof. Manfredi receives students every day.
Prof. Abbotto receives students every day.
Students must fix an appointment in advance
Sustainable Development Goals
Staff
-
Alessandro Abbotto
-
Norberto Manfredi
