Chimica Industriale

Il corso si inquadra nei processi formativi in ambito industriale ed applicativo specifici del Corso di Laurea. Il corso intende ampliare le conoscenze proprie della Chimica Fisica e dell’Elettrochimica, con particolare riguardo alle problematiche energetiche e agli aspetti di gestione delle risorse. I contenuti concettuali e metodologici sono affiancati da riferimenti agli aspetti economici e applicativi. Viene introdotto il concetto di smart grid e della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili sostenuta da opportuni sistemi di accumulo e conversione. Vengono descritti i materiali costituenti e i principi di funzionamento dei dispositivi di conversione ed accumulo dell’energia, fornendo allo studente la possibilità di approfondirne la comprensione attraverso esercitazioni guidate in laboratorio. Particolare enfasi è data alle metodologie più moderne per lo studio di sistemi avanzati di accumulo elettrochimico dell’energia. 1) PRINCIPI DI ELETTROCHIMICA La cella elettrochimica e suoi costituenti: elettrodi ed elettroliti. La teoria della conducibilità ionica. Semielementi galvanici ed elettrodi di riferimento. Termodinamica delle celle elettrochimiche. Cinetica elettrochimica: sovratensioni ohmiche e polarizzazioni elettrodiche di diffusione, trasferimento di carica e cristallizzazione. Il metodo della spettroscopia d’impedenza elettrochimica. 2) SISTEMI PER L'ACCUMULO ELETTROCHIMICO DI ENERGIA Pile e accumulatori elettrochimici: parametri operativi e caratteristiche funzionali. Cenni storici. Accumulatori Pb-acido e Ni-MH. Accumulatori (batterie) litio e litio-ione: principio di funzionamento, configurazioni di cella e materiali elettrodici ed elettrolitici di nuova generazione. Sviluppo e ricerca del settore. 3) VETTORE ENERGETICO IDROGENO E TECNOLOGIE CORRELATE Metodi di produzione di idrogeno. Sistemi per l'accumulo di idrogeno: idrogeno compresso e liquefatto; idruri metallici; materiali nanostrutturati. Le tecnologie ad idrogeno. Le celle a combustibile: i) termodinamica di una cella a combustibile; ii) diverse tipologie di celle a combustibile e loro applicazioni (sistemi stazionari, mobili e trazione elettrica). 4) FONTI DI ENERGIA RINNOVABILI E DISPOSITIVI PER LA LORO CONVERSIONE Fonti energetiche primarie. Energia solare. Semiconduttori: diodi a giunzione ed effetti fotovoltaici. Celle fotovoltaiche. Celle fotoelettrochimiche. Celle fotoelettrochimiche rigenerative con sensibilizzatore molecolare. Celle fotoelettrochimiche per la decomposizione dell’acqua. ESERCITAZIONI di laboratorio a) Valutazione della conducibilità ionica di una soluzione elettrolitica aprotica. b) Studio di un accumulatore al litio e valutazione dei processi di scarica e carica: capacità specifica dell’accumulatore, sovratensioni ed efficienza coulombica. c) Studio di una cella a combustibile ad elettrolita polimerico attraverso l’analisi della curva di polarizzazione e potenza.

a) Formazione scientifica solida nelle discipline di base, quali Chimica Inorganica, Fisica e Chimica Fisica. b) Competenza di carattere chimico e tecnologico propria della chimica industriale, con una adeguata conoscenza delle reazioni e dei processi in tutti quei settori produttivi e dei servizi che richiedono comprensione delle proprietà dei materiali e delle loro applicazioni. c) Conoscenza di metodologie sperimentali e strumentali nel campo della scienza dei materiali. d) Capacità di reperire, elaborare e presentare anche mediante metodologie informatiche, risultati di ricerche sperimentali e bibliografiche anche redatte in lingua inglese.

- M.A. Navarra Fondamenti di elettrochimica e chimica fisica dei materiali (dispense del docente). - Materiale didattico predisposto dal docente su metodi d’indagine elettrochimica, dispositivi elettrochimici di accumulo e conversione energetica e sul vettore idrogeno. - C.H. Hamann, A. Hamnett, W. Vielstich Electrochemistry. 2nd Edition, Wiley-VCH.

La frequenza in aula è caldamente consigliata, essendo abitudine del docente interagire con gli studenti durante le spiegazioni per stimolare l’apprendimento immediato e dinamico. I testi consigliati e il materiale predisposto dal docente sono comunque esaustivi di tutti i contenuti del corso. Le esercitazioni in laboratorio vengono concordate con gli studenti e, in caso di assenza, non potrà esserne garantita la ripetizione.

Si prevedono tre prove in itinere facoltative, da calendarizzare in accordo con gli studenti fin sai promi giorni del corso, al termine dei moduli 1, 3 e 4. L’esonero è svolto in forma scritta e consiste di tre parti: un esercizio numerico, 10 domande a risposta multipla, 1 domanda aperta breve. Gli studenti che alle prove in itinere conseguono un punteggio uguale o superiore a 25/30 possono essere esonerati dalla prova orale, anche in forma parziale. La prova orale verrà svolta dopo il termine del corso, nelle sessioni d'esame previste. Per superare l'esame occorre conseguire un voto non inferiore a 18/30. Lo studente deve dimostrare di aver acquisito una conoscenza sufficiente delle proprietà dei materiali funzionali, dei metodi elettrochimici utili alla loro diagnostica e del principio di funzionamento dei dispositivi di accumulo e conversione dell’energia. Per conseguire un punteggio pari a 30/30 e lode, lo studente deve invece dimostrare di aver acquisito una conoscenza eccellente di tutti gli argomenti trattati durante il corso, essendo in grado di raccordarli in modo logico e coerente. Per l’assegnazione del punteggio, il docente si avvale di una griglia di valutazione presentata, discussa e condivisa con gli studenti all’inizio del corso.

- W.F. Smith, J. Hashemi Scienza e tecnologia dei materiali. IV Edizione 2012, McGraw-Hill - Rolando Roque-Malherbe The Physical Chemistry of Materials: Energy and Environmental Applications. 1st Edition 2017, CRC Press - Ming-Fa Lin, Wen-Dung Hsu Green Energy Materials Handbook. 1st Edition 2019, CRC Press

I quattro moduli di lezioni frontali (8 CFU = 64 ore) verranno svolti in aula attraverso la lavagna, proiettando slide e avvalendosi degli ausili informatici a disposizione. Il materiale didattico utilizzato in aula verrà fornito agli studenti unitamente alle dispense predisposte dal docente (attraverso piattaforma Moodle E-learning). Al termine di ogni modulo verrà svolta una lezione di ripasso, anche attraverso esercizi numerici supplementari svolti dal docente e un test di autovalutazione che gli studenti eseguiranno anonimamente in Google Form. Le esercitazioni di laboratorio (1 CFU = 12 ore) verranno svolte nei locali di responsabilità del docente, attraverso la strumentazione che il docente mette a disposizione; al termine di ogni esperienza, il docente condividerà i dati registrati per l’elaborazione di una relazione scritta da parte degli studenti affinché valutino in maniera critica le proprietà dei materiali e le prestazioni dei dispositivi in esame. Eventuale svolgimento a distanza verrà erogato in accordo alle raccomandazioni/linee guida dell’Ateneo.