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Tecnologie Foto-elettro-catalitiche per un'Industria Chimica Sostenibile: Fondamenti ed Applicazioni
01DMZIY
A.A. 2021/22
Course Language
Inglese
Degree programme(s)
Doctorate Research in Ingegneria Chimica - Torino
Course structure
| Teaching | Hours |
|---|---|
| Lezioni | 24 |
| Esercitazioni in laboratorio | 6 |
Lecturers
| Teacher | Status | SSD | h.Les | h.Ex | h.Lab | h.Tut | Years teaching |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hernandez Ribullen Simelys Pris | Professore Associato | ICHI-02/B | 9 | 0 | 3 | 0 | 2 |
Co-lectures
Context
| SSD | CFU | Activities | Area context | *** N/A *** |
|---|
Il corso intende fornire i fondamenti della fotocatalisi, della foto/elettrocatalisi e dell'elettrocatalisi, descrivendo le singole fasi delle reazioni che guidano questi processi catalitici. Verranno illustrate, anche attraverso esperienze di laboratorio, le principali applicazioni tecnologiche nel campo dell'energia, dell'ambiente e della chimica industriale. Particolare attenzione sarà data ai processi in grado di sfruttare fonti rinnovabili (es. energia solare, acqua) e rifiuti (es. acque reflue, CO2 e fumi contenenti azoto) in prodotti chimici e combustibili, con l'obiettivo di ridurre le emissioni di gas serra e sviluppare tecnologie sostenibili, in accordo con gli obiettivi di sviluppo sostenibile 7, 9 e 13. Saranno affrontati esempi pratici di tecnologie fotocatalitiche e sfide per l'applicazione pratica di nuovi processi foto-elettro-catalitici, compreso lo sviluppo di catalizzatori e progettazione di reattori, nonché come la messa a punto delle condizioni operative, che giocano un ruolo importante nella definizione dell'efficienza del processo. Inoltre, gli importanti processi upstream e downstream saranno considerati anche da un punto di vista tecnico-economico. In conclusione, l'obiettivo del corso è trasmettere la conoscenza dei fenomeni e delle sfide a livello chimico e ingegneristico che si verificano nelle tecnologie foto-elettro-catalitiche.
The course intends to provide the fundamentals of photocatalysis, photo-electrocatalysis and electrocatalysis, by describing the individual reactions steps driving these catalytic processes. The major technological applications in the field of energy, environmental and industrial chemistry will be illustrated, also through laboratory experiences. A particular focus will be given to the processes able to exploit renewable sources (e.g. sun energy, water) and wastes (e.g. wastewater, CO2 and N-containing flue gases) into chemicals and fuels, with the aim to reduce the greenhouse gases emissions and to develop sustainable technologies, in agreement with the Sustainable Development Goals 7, 9 and 13. Practical examples of photocatalytic technologies and challenges towards the practical application of new photo-electrocatalytic process will be addressed, including the development of catalysts and reactors design, as well as the tuning of the operative conditions, which play a major role in defining the process efficiency. Besides, the important upstream and downstream processes will also be considered from a techno-economic point of view. In conclusion, the objective of the course is to convey the knowledge of the phenomena and challenges at a chemical and engineering level occurring in photo-electro-catalytic technologies.
Questo corso sarà progettato per studenti di dottorato con basi e background diversi. Pertanto, studenti provenienti da diversi corsi di dottorato come Ingegneria Chimica, Chimica, Fisica, Fisico-Chimica, Scienze dei Materiali, Dispositivi elettronici, Ingegneria Energetica e Ingegneria Ambientale, possono sfruttare e sviluppare nuove abilità o idee dalle conoscenze che verranno fornite in questo corso.
This course will be designed for PhD students having different basis and backgrounds. Therefore, students from different PhD programs such as Chemical Engineering, Chemistry, Physics, Physical-Chemistry, Materials Sciences, Electronic devices, Energetic Engineering and Environmental Engineering, can exploit and developing new skills or ideas from the knowledge that will be provided in this course.
Il corso sarà strutturato in lezioni teoriche e pratiche e tratterà 3 argomenti principali: processi fotocatalitici, foto/elettrocatalitici ed elettrocatalitici per l'energia, l'ambiente ed i processi industriali.
Il programma delle lezioni sarà costituito dai seguenti argomenti:
- Fondamenti di processi sostenibili fotocatalitici e foto/elettrocatalitici. Questa sezione tratterà l'assorbimento dei fotoni, il trasferimento e la ricombinazione di carica, il trasferimento di elettroni, i fenomeni di adsorbimento, i meccanismi di reazione, l'avvelenamento e gli effetti promotori.
- Fotocatalisi applicata all'energia e all'ambiente. Esempi di trattamento di correnti gassose e acquose.
- Foto/elettrocatalisi per reazioni chimiche guidate dal sole. Esempio specifico di scissione dell'acqua per la produzione di H2.
- Elettrocatalisi per processi di elettrosintesi sostenibili. Esempi specifici di processi di conversione di CO2 e N2 per la produzione di prodotti chimici e combustibili (es. syngas, alcoli, ossigenati, NH3, ecc.): dallo sviluppo dei catalizzatori ai sistemi reattoristici.
- Tecnologie tandem fotovoltaico (PV) – elettrocatalitico (EC).
- Sfide per lo scale-up e l'applicazione pratica delle tecnologie foto-elettro-catalitiche: dalla deposizione del catalizzatore nel foto/elettrodo alla progettazione completa dell'impianto, compresi i processi a monte e a valle.
- Applicazione di tecniche di caratterizzazione fisico-chimiche (diffrattometria, spettroscopia, microscopia, etc) ed elettrochimiche: metodi classici (es. LSV, CV, CA) e avanzati (es. spettroscopia di impedenza elettrochimica, EIS).
La teoria sarà applicata 2 esperienze pratiche di laboratorio relative a processi foto/elettrocatalitici guidati dalla luce solare (es. water splitting e per la produzione di H2) e l'applicazione di tecniche di caratterizzazione elettrochimica, incluso EIS.
The course will be structured in theoretical and practical lessons and will cover 3 main topics: photocatalytic, photo-electrocatalytic and electrocatalytic processes for energy, environment and industrial processes.
The lessons program will be constituted by the following topics:
- Fundamentals of photocatalytic and photo-electrocatalytic sustainable processes. This section will cover photon absorption, charge transfer and recombination, electron transfer, adsorption phenomena, reaction mechanisms, poisoning and promoting effects.
- Photocatalysis applied to the energy and the environment. Examples of treatment of gaseous and aqueous streams.
- Photo-electrocatalysis for sun-driven chemical reactions. Specific example of water splitting for H2 production.
- Electrocatalysis for sustainable electrosynthesis processes. Specific examples of CO2 and N2 conversion processes for the production of chemicals and fuels (i.e. syngas, alcohols, oxygenates, NH3, etc): from catalysts development to reactor systems.
- Tandem photovoltaic (PV) – electrocatalytic (EC) technologies.
- Challenges for the scale-up and practical application of photo-electrocatalytic technologies: from the catalyst deposition in the photo-electrode to the full plant design, including upstream and downstream processes.
- Application of physical-chemical (diffractometry, spectroscopy, microscopy, etc) and electrochemical characterization techniques: classical (i.e. LSV, CV, CA) and advanced methods (i.e. electrochemical impedance spectroscopy, EIS).
The theory will be practically applied in 2 laboratory experiences related to sun-driven photo-electrocatalytic processes (e.g. water splitting and for H2 production) and the application of electrochemical characterization techniques, including EIS.
Modalità mista
Mixed mode
Presentazione orale - Presentazione report scritto
Oral presentation - Written report presentation
P.D.1-1 - Febbraio
P.D.1-1 - February