Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si propone di fornire agli studenti i principi e le tecnologie elettrochimiche per la conversione dell'energia, inserendoli nel più ampio contesto dell'attuale scenario energetico.
Conoscenza e comprensione
Al termine del corso, lo studente conoscerà:
Concetti di base dei sistemi di conversione elettrochimica (elettroliti, elettrodi, loro integrazione nell'assemblaggio di elettrodi a membrana).
Principali tecnologie per la conversione elettrochimica dell'energia, tra cui celle a combustibile ed elettrolizzatori, e nuovi sistemi di conversione come la conversione dell'anidride carbonica e la riduzione dei nitrati.
Materiali e funzionamento dei sistemi di conversione elettrochimica dell'energia.
Effetto dei parametri operativi (ad esempio, temperatura e pressione) sulle prestazioni.
Applicazione della conoscenza e della comprensione
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:
Identificare i componenti principali delle celle a combustibile e degli elettrolizzatori ad acqua.
Applicare le conoscenze acquisite per la selezione dei materiali.
Applicare le conoscenze acquisite per valutare criticamente la scelta dei materiali in diversi dispositivi di conversione elettrochimica dell'energia, considerando le loro proprietà strutturali, elettroniche e funzionali.
Assemblare un dispositivo di conversione elettrochimica, selezionando elettroliti e materiali per gli elettrodi. Comprendere le curve di polarizzazione e le analisi sui vari componenti del sistema (separatore a membrana, anodo e catodo).
Autonomia di giudizio
Al termine del corso, lo studente dovrà dimostrare la capacità di:
Dimostrare la padronanza degli argomenti trattati nel corso
Comprendere il principio di funzionamento di un dispositivo elettrochimico di accumulo di energia
Dimostrare la capacità di analizzare criticamente i dati elettrochimici raccolti in laboratorio. Ciò include anche la capacità di organizzare i dati in un articolo scientifico.
Competenze comunicative
Al termine di questa attività, lo studente sarà in grado di presentare oralmente e con adeguate competenze linguistiche gli argomenti scientifici relativi ai sistemi di conversione dell'energia. Sarà inoltre in grado di produrre un elaborato scritto relativo agli esperimenti di laboratorio.
Competenze di apprendimento
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:
Approfondire autonomamente la propria conoscenza dei materiali e dei dispositivi di conversione elettrochimica dell'energia attraverso la letteratura scientifica esistente.
Aggiornarsi costantemente sugli sviluppi della ricerca e sull'evoluzione tecnologica nel campo dei sistemi di conversione elettrochimica, inclusa la sostituzione di materie prime critiche con materiali meno nobili e preziosi. Valutare criticamente informazioni e dati e, infine, supportare il processo decisionale e la risoluzione dei problemi.
Sviluppare un approccio multidisciplinare (scienza dei materiali, chimica e ingegneria) e multiscala (dal livello atomico a quello di sistema) allo studio e alla comprensione dei sistemi di conversione elettrochimica dell'energia.
Proseguire efficacemente il proprio percorso di apprendimento sia in ambito accademico che professionale, in particolare nel campo delle tecnologie di conversione dell'energia.
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 students with the principles and of electrochemical technologies for energy conversion, and to place them in the broader context of the current energy scenario.
Knowledge and understanding
At the end of the course, the student will know:
Basic concepts of electrochemical conversion systems (electrolytes, electrodes, their integration into membrane electrode assembly).
Main technologies for electrochemical energy conversion including fuelc ells and electrolyzers and novel conversion systems such as carbon dioxide conversion and nitrate reduction
Materials and operations of electrochemical energy conversion systems.
Effect of operating parameters (e.g. temperature and pressure) on the performance.
Applying knowledge and understanding
At the end of the course, the student will be able to:
Identify the main components of fuel cells and water electrolyzers.
Apply the knowledge for selection of materials.
Apply the acquired knowledge to critically evaluate the choice of materials in different electrochemical energy conversion devices, considering their structural, electronic and functional properties.
Assemble an electrochemical conversion device, selecting electrolytes and electrode materials.
Understand the polarization curves and analyses on the various components of the system (membrane separator, anode and cathode)
Making judgments
At the end of this course, the student must demonstrate the ability to:
Demonstrate mastery of the topics covered in the course
Understand the operating principle of an electrochemical energy storage device
Demonstrate the ability to critically analyze electrochemical data collected in the laboratory. This also includes the ability to organize the data in a scientific paper.
Communication skills
At the end of this activity, the student will be able to orally and with proper language skills present the scientific topics related to energy conversion systems. The student will also be able to produce a written paper related to the laboratory experiments.
Learning skills
Upon completion of the course, the student is able to:
Independently deepen their knowledge of electrochemical energy conversion materials and devices through existing scientific literature.
Constantly update themselves on research developments and technological evolution in the field of electrochemical conversion systems including the substitution of critical raw materials with less noble and precious materials.
Critically evaluate information and data and finally support decision-making and problem solving.
Develop a multidisciplinary (materials science, chemistry and engineering) and multiscale (from atomic level to system level) approach to the study and understanding of electrochemical energy conversion systems.
Effectively continue their learning path both in academic and professional settings, particularly in the field of energy conversion technologies.
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
