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Molecular heterogeneous catalysis: theory and practice

01TRRIY

A.A. 2020/21

Course Language

Inglese

Degree programme(s)

Doctorate Research in Ingegneria Chimica - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 20
Lecturers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Piumetti Marco   Professore Associato ING-IND/27 20 0 0 0 1
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Context
SSD CFU Activities Area context
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Statistiche superamento esami
Questo corso di dottorato fornirà gli aspetti fondamentali della catalisi eterogenea con particolare attenzione alla catalisi molecolare e al comportamento dinamico dei siti attivi su superfici solide. Particolare enfasi sarà data alla struttura dei catalizzatori solidi, all’importanza del sito attivo isolato in superficie (SSHC), al comportamento dinamico in condizioni di reazione ed all’importanza dell'interazione tra fase attiva e supporto. I modelli statici e dinamici saranno discussi considerando le diverse opinioni espresse negli anni e considerando i siti attivi come atomi o insiemi di atomi e intermedi di reazioni catalitiche instabili. Più recentemente, sono state identificate e caratterizzate delle strutture complesse ed il comportamento dinamico tra siti attivi ed adsorbati interagenti durante le reazioni catalitiche. Verranno quindi esposte le principali proprietà fisico-chimiche di catalizzatori nanostrutturati e di materiali porosi dando particolare attenzione alle diverse tecniche di caratterizzazione spettroscopica (IR, UV-Vis, Raman e XPS). Lezioni pratiche di spettroscopia FT-IR potranno essere possibili.
This PhD course will provide the fundamental aspects of heterogenous catalysis with a focus on molecular catalysis and the dynamic behavior of active sites on solid surfaces. Special emphasis will be brought to structure of the solid catalysts, importance of active site isolation on the surface (SSHCs), dynamic behavior under reaction conditions and importance of active phase-support interaction. Static and dynamic models will be discussed considering the different views expressed during the years and considering active sites as atoms or ensembles of atoms and instable catalytic reaction intermediates. More recently, structures and dynamic behavior between active sites and interacting adsorbates during catalytic reactions have been identified and characterized. The main physical-chemical properties of nanostructured catalysts and porous materials will then be exposed, paying particular attention to the different spectroscopic characterization techniques (IR, UV-Vis, Raman and XPS). Practical lessons in FT-IR spectroscopy may be possible.
Conoscenze di catalisi
Knowledge of catalysis
1. Principi di catalisi eterogenea. Introduzione alla scienza della catalisi; catalisi eterogenea ed omogenea; attività catalitica, selettività e conversione; cinetica delle reazioni catalitiche; resa di reazione; teoria dello stato di transizione; equazione di Arrhenius; step coinvolti nel ciclo catalitico; il principio di Sabatier; il principio Bell-Evans-Polanyi; chemisorbimento e fisisorbimento; Meccanismi Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal; meccanismo di Mars e van Krevelen. 2. Catalizzatori nanostrutturati e material porosi. Nanoparticelle, zeoliti e relativi materiali per applicazioni ambientali; proprietà fisico-chimiche delle silici mesoporose e loro applicazioni nella catalisi eterogenea. Cluster e vuoti: gli effetti della dimensione sulla reattività e selettività in catalisi. 3. Il concetto di sito attivo: Considerazioni strutturali e dinamiche. Reazioni su superfici solide; struttura e comportamento dinamico dei siti attivi; siti attivi in catalisi eterogenea: background storico, catalizzatori eterogenei a sito singolo, fenomeni di autoriparazione in catalizzatori eterogenei a sito singolo. Effetti cooperativi e sinergici. 4. Caratterizzazione spettroscopica di catalizzatori eterogenei. Principi delle spettroscopie IR, UV-Vis, Raman e XP. Attività pratiche: spettroscopia IR come tecnica di caratterizzazione per valutare le funzionalità superficiali dei solidi ed il loro difetti strutturali, sia direttamente sia mediante l’invio di molecole di sonda.
1. Principles of heterogenous catalysis. Introduction to the science of catalysis; homogeneous and heterogenous catalysis; catalytic activity, selectivity and yield; kinetics of catalytic reactions; reaction rates; transition state theory; the Arrhenius equation; steps in heterogeneous catalysis; the Sabatier principle; the Bell-Evans-Polanyi principle; chemisorption and physisorption; Langmuir-Hinshelwood versus Eley-Rideal mechanisms; Mars and van Krevelen mechanism. 2. Nanostructured catalysts and porous materials. Nanoparticles, zeolites and related materials for environmental applications; physico-chemical properties of mesoporous silicas and their applications in heterogenous catalysis. Clusters and voids: the effects of size on reactivity and selectivity in catalysis 3. The concept of active site: Structural and dynamical considerations. Reactions at solid surfaces; structure and dynamic behavior of active sites; active sites in heterogeneous catalysis: historical background, single-site heterogeneous catalysts, self-repairing phenomena in single-site heterogeneous catalysts. Cooperative and synergistic effects. 4. Spectroscopic characterization of solid catalysts. Principles of IR, UV-Vis, Raman and XP spectroscopies. Practical activities: IR spectroscopy as a tool to assess the surface functionalities of solids and their surface defects, both directly and by dosing probe molecules.
In presenza
On site
Presentazione report scritto
Written report presentation
P.D.2-2 - Luglio
P.D.2-2 - July
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