SISTEMI FOTOCHIMICI PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2017/2018
- Docente
- MIRCO NATALI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Periodo Didattico
- SSD
- CHIM/03
Obiettivi formativi
- Gli obiettivi principali del corso riguardano la possibilità per lo studente di acquisire conoscenze su tematiche scientifiche d’avanguardia legate al problema energetico mondiale e alle modalità con cui l’energia solare può essere utilizzata per uno sviluppo energetico sostenibile. In particolare lo studente potrà conoscere la struttura generale e le singole unità di un sistema fotosintetico artificiale rivolto alla conversione dell’energia solare in combustibili, i processi fotochimici che lo governano, gli schemi di reazione potenzialmente utilizzabili ed il loro meccanismo, le tecniche spettroscopiche ed elettrochimiche che ne consentono la caratterizzazione, ed infine le possibili applicazioni pratiche.
Al termine del corso lo studente sarà in grado di conoscere e valutare la struttura e le funzioni di sistemi fotochimici complessi rivolti alla conversione dell’energia solare e le loro potenziali applicazioni, possiederà inoltre basi sufficienti per l’interpretazione di dati sperimentali relativi alla loro caratterizzazione. Prerequisiti
- Fondamenti di fotochimica, elettrochimica, chimica inorganica, chimica fisica.
Contenuti del corso
- Il corso consiste in 36 ore di lezione frontale riguardanti gli argomenti qui di seguito riportati.
Introduzione al problema energetico. Combustibili fossili e surriscaldamento globale. Aspetti generali dell’energia solare.
Fotosintesi naturale: fotosintesi anossigenica nei batteri e fotosintesi clorofilliana. Conversione dell’energia solare nei sistemi fotosintetici naturali.
Struttura di un dispositivo fotosintetico artificiale. Requisiti termodinamici e cinetici. Unità funzionali. Possibili reazioni e trasformazioni in un sistema fotosintetico artificiale.
Assorbimento dell’energia luminosa ed antenne fotosintetiche artificiali. Esempi di antenne molecolari.
Sistemi supramolecolari per la separazione di carica fotoindotta. Trasferimento elettronico fotoindotto e meccanismo di superscambio.
Trasferimento elettronico accoppiato a trasferimento protonico.
Semi-reazione ossidativa: Ossidazione dell’acqua. Catalizzatori molecolari per l’ossidazione dell’acqua ad ossigeno. Requisiti termodinamici. Meccanismo di ossidazione dell’acqua ad ossigeno, attacco nucleofilo e accoppiamento radicalico. Intermedio osso-metallo ed effetto della struttura elettronica sul meccanismo. Caratterizzazione sperimentale di un catalizzatore per l’ossidazione dell’acqua. Tecniche elettrochimiche per lo studio della reazione. Accoppiamento della reazione catalitica con l’assorbimento della luce. Fotocatalisi di ossidazione dell’acqua. Tecniche spettroscopiche per lo studio di sistemi fotocatalitici per l’ossidazione dell’acqua.
Semi-reazione riduttiva: Riduzione di protoni ad idrogeno. Catalizzatori per la produzione di idrogeno. Meccanismo di riduzione di protoni ad idrogeno. Requisiti termodinamici, pKa e idricità del metallo. Tecniche elettrochimiche per lo studio della reazione. Accoppiamento della reazione catalitica con l’assorbimento della luce e fotocatalisi. Tecniche spettroscopiche per lo studio di sistemi fotocatalitici per la produzione di idrogeno. Riduzione dell’anidride carbonica. Possibili reazioni. Catalizzatori per la riduzione dell’anidride carbonica e loro caratterizzazione. Fotocatalisi.
Sistemi integrati per la conversione dell’energia solare. Celle fotoelettrochimiche a semiconduttore sensibilizzato. Struttura elettronica dei semiconduttori, semiconduttori intrinseci ed estrinseci, contatto semiconduttore-soluzione. Trasferimento elettronico eterogeneo e teoria di Gerischer. Esempi di celle fotoelettrochimiche. Semicelle e celle tandem. Limiti termodinamici e cinetici. Caratterizzazione fondamentale di celle fotoelettrochimiche, grandezze rilevanti nella caratterizzazione di un dispositivo.
Conversione dell’energia solare in energia elettrica. Dispositivi fotovoltaici. Cella solare a stato solido, giunzione p-n, cella solare a semiconduttore sensibilizzato, celle a perovskite, celle solari organiche. Caratterizzazione fotoelettrochimica di celle solari e grandezze rilevanti. Accoppiamento di dispositivi fotovoltaici con dispositivi elettrolitici o elettrosintetici per la conversione dell’energia solare in energia chimica.
Altri processi fotochimici di potenziale interesse in dispositivi fotoelettrochimici. Up-conversion. Singlet fission. Metodi didattici
- Il corso consiste in 36 ore di lezione frontale sui contenuti sopra riportati durante le quali vengono impiegate diapositive esplicative integrate, al bisogno, da dimostrazioni o spiegazioni alla lavagna.
Modalità di verifica dell'apprendimento
- Lo scopo dell’esame riguarda la verifica da parte del docente delle conoscenze e abilità acquisite dallo studente come sopra riportato. L’esame consiste in una prova orale caratterizzata da 3 domande. Lo studente potrà iniziare la discussione da un argomento di sua scelta. L’esame si considera superato se lo studente ha risposto in maniera esaustiva ad almeno 2 delle 3 domande.
Testi di riferimento
- Le presentazioni utilizzate dal docente in aula sono a completa disposizione dello studente. Approfondimenti sugli argomenti trattati sono nella forma di articoli scientifici, recensioni e saggi scientifici, o capitoli di libri. Ulteriori approfondimenti possono essere trovati nel seguente testo:
"Photochemistry and Photophysics, Concepts, Research, Applications" V. Balzani, P. Ceroni, A. Juris, Wiley-VCH,Verlag 2014.
