[ICCOM] Istituto di chimica dei composti organo metallici

RIFERIMENTI

-        Celle a combustibile ad alcoli rinnovabili, produzione di H2 da elettrocatalisi ed elettro-riduzione della CO2: Dr. Francesco Vizza (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.">Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

-        Solare fotovoltaico – sensibilizzatori organici per DSSC: Dr.ssa Gianna Reginato (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.">Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

-        Produzione fotocatalitica di H2 ed abbattimento di CH4: Prof. Paolo Fornasiero (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.">Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

-        Produzione e stoccaggio di H2 nel ciclo acido formico/CO2: Dr. Luca Gonsalvi (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.">Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.);

-        Produzione e stoccaggio di H2 in ammoniaca-borano e stoccaggio di CO2 in MOFs: Dr. Andrea Rossin (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.">Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

-        Materiali innovativi a base di carbonio per la riduzione di O2: Dr. Giuliano Giambastiani (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.">Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

-        Modellizzazione teorica per la produzione sostenibile dell’energia: ThC2-Lab (Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

Sito web dell’Istituto: www.iccom.cnr.it

PRINCIPALI ATTIVITA’ NEL SETTORE ENERGIA

L’attività di ICCOM nelle sue sedi di Firenze (FI), Pisa (PI) e Trieste (TS) è da alcuni anni focalizzata su diverse tematiche che ruotano intorno all’argomento energia, in settori spesso complementari tra loro, e si articola in tre linee di ricerca strategica:

(a) Produzione di energia da fonti rinnovabili.

L’unità guidata dal Dr. Francesco Vizza (FI) lavora sulla selettiva produzione di prodotti chimici da risorse rinnovabili in celle a combustibile e contemporaneo rilascio di energia. L’idrogeno viene prodotto da elettrolisi di soluzioni acquose di alcoli rinnovabili mediante un metodo innovativo di reforming elettrochimico sviluppato ad ICCOM che rende il processo energeticamente più conveniente rispetto all’elettrolisi dell’acqua grazie a particolari catalizzatori di invenzione (Figura 1). Lo stesso approccio elettrochimico può essere sfruttato per la produzione di combustibili o prodotti chimici da elettro-riduzione della CO2.

In questa tematica, sono numerosi i progetti sia nazionali che europei in cui ICCOM è coinvolto come coordinatore o partecipante: DECORE (Direct ElectroChemical Oxidation Reaction of Ethanol: optimization of the catalyst/support assembly for high temperature operation), Progetto Europeo (2012-2016); National Science Foundation US (Novel Catalysts for Electrochemical Carbon Dioxide Conversion: from Bimetallic Surfaces to Gas Diffusion Electrodes); Progetto FIRB - RBFR10J4H7_002: «Un approccio innovativo, mediante spettroscopia laser e caratterizzazione su scala atomica, al design di materiali catalitici per la sintesi di vettori energetici», MIUR (2011-2016); Progetto Ente Cassa di Risparmio di Firenze FIRENZE HYDROLAB (2004-2016); Progetto industriale WORGAS (Idrogeno da metallo boro idruri); Progetto industriale Belenos-Gruppo Swatch (micro-fuel cells ad alcol etilico); Progetto industriale COBAT, 2015-2016 (Riciclo batterie al litio).

Figura 1. Immagini al microscopio elettronico del catalizzatore utilizzato nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno: nanoparticelle di palladio supportate su nanotubi di titania (TiO2).

Il gruppo diretto dalla Dr.ssa Gianna Reginato (FI) lavora nel campo del solare fotovoltaico di nuova generazione, concentrandosi sullo sviluppo di nuovi sensibilizzatori organici per celle solari sensibilizzate a colorante (DSSC, dall’inglese Dye-Sensitized Solar Cells. Figura 2). Tali dispositivi, il cui principio di funzionamento è ispirato dalla fotosintesi clorofilliana, possono funzionare anche in condizioni di luce diffusa ed indiretta, e sono prodotti con processi facili che utilizzano materiali ecocompatibili e a basso costo. I principali obbiettivi riguardano la progettazione e sintesi di nuovi coloranti ad elevato coefficiente di estinzione molare e con assorbimenti nel NIR. Progetti attivi in questo campo sono: FOTOSENSORG - Regione Toscana, “Produzione di Nuove Celle Fotovoltaiche a Base di Materiali Organici”, (2010-2013); IRIS - Ente Cassa di Risparmio Firenze, “Coloranti per l’energia e l’ambiente”, (2013-2014); Progetto Premiale 2012, MIUR, Line 1: Efficient, clean and secure energy, “Integrated and eco-sustainable technologies for the production, storage and use of the energy”; Progetto Laboratori Congiunti 2015, Consiglio Nazionale delle Ricerche, “Design and preparation of new nanomaterials with charge conduction properties” (2015-2018).

Figura 2. Coloranti organici su una DSSC.

L’unità coordinata dal Prof. Paolo Fornasiero (TS) presso la URT triestina di ICCOM tratta la progettazione di catalizzatori per la produzione fotocatalitica di idrogeno da soluzioni contenti biomasse (etanolo, glicerolo) o da purificazione di acque reflue. Progetti attivi in questo settore sono: PRIN MIUR – progetto HI-PHUTURE (protocollo 2010N3T9M4) dedicato all’attivazione e conversione fotocatalitica del biossido di carbonio a combustibili solari; progetto europeo FP7-NMP-2012-SMALL-6 sullo sviluppo di materiali gerarchici utili nella produzione e purificazione dell’idrogeno da fonti sostenibili.

La tematica della produzione-stoccaggio di idrogeno da composti organici / inorganici semplici ad alto contenuto di idrogeno è affrontata dalle Unità di Ricerca del Dr. Luca Gonsalvi (FI) (http://www.iccom.cnr.it/gonsalvi) e del Dr. Andrea Rossin (FI), che sviluppano nuovi catalizzatori omogenei (composti organometallici) di deidrogenazione di acido formico (HCOOH) ed ammoniaca-borano (NH3BH3) rispettivamente, per estrarre H2 da questi substrati in condizioni di temperatura più vicine possibili a quelle ambienti e con alte rese (Figura 3). Nel caso dell’acido formico, la reazione inversa (idrogenazione della CO2) viene realizzata grazie agli stessi catalizzatori come metodo per lo stoccaggio chimico di idrogeno (ciclo sostenibile produzione-stoccaggio). I progetti in cui ICCOM è attivo in questa tematica sono: Progetto Ente Cassa di Risparmio di Firenze FIRENZE HYDROLAB (2004-2016) “L’idrogeno come vettore energetico:nuove prospettive per la produzione, lo storage e la sua utilizzazione in area fiorentina”; Progetto CNR per il Mezzogiorno EFOR (2011-2015) “Energia da Fonti Rinnovabili”; Progetto MATTM PIRODE (2010-2012) “Produzione di idrogeno da rinnovabili e suo rilascio on demand mediante storage chimico”; Progetto Premiale CNR 2010-2011 “Energia da Fonti Rinnovabili”; Progetto bilaterale CNR-RFBR (2015-2017) “Stoccaggio Chimico di H2 in ammoniaca-borano (AB): sintesi di catalizzatori di deidrogenazione di AB e studi spettroscopici/computazionali del meccanismo di rilascio di idrogeno”.

 

Figura 3. Produzione - stoccaggio di idrogeno da acido formico/CO2 (a) e da ammoniaca-borano (b) con catalizzatori omogenei.

(b) Produzione sostenibile di energia da fonti fossili

L’Unità di Ricerca del Dr. Andrea Rossin (FI) progetta nuovi materiali porosi 3D (Metal-Organic Frameworks, MOFs) a base tiazolica e tiazolidinica per lo stoccaggio di CO2 a temperatura e pressioni ambiente attraverso fisisorbimento all’interno delle loro cavità (Figura 4). Questa attività è finanziata dal Progetto Premiale CNR 2010-2011“Energia da Fonti Rinnovabili”.

Figura 4. Stoccaggio di CO2 in MOFs.

Il gruppo del Prof. Paolo Fornasiero (TS) studia inoltre nuovi catalizzatori eterogenei per processi di post-combustione per abbattimento catalitico del gas serra metano da autoveicoli, caldaie domestiche e impianti di combustione di biogas (Figura 5). E’ stato depositato un brevetto industriale che raccoglie i risultati di questa ricerca: “Core-shell nanoparticulate compositions and methods”, Philadelphia 11/10/2012, US-2014-0106260-A1 pubblicato in data 17.04.2011, in co-proprietà University of Pensilvania / Università di Trieste / CNR.

Per maggiori informazioni, visitare i seguenti links:

http://www.repubblica.it/scienze/2012/08/14/news/metano_non_inquina-40750029/

http://www.lescienze.it/lanci/2015/07/15/news/universita_di_trieste_riduzione_gas_serra_metano_fotografato_in_azione_un_importante_catalizzatore-2691298/

Figura 5. Un catalizzatore eterogeneo per l’abbattimento del metano: Pd@CeO<sub< a="">>2

(c) Ricerca energetica di frontiera: materiali innovativi per applicazioni energetiche e ricerche di base.

Il gruppo coordinato dal Dr. Giuliano Giambastiani (FI) lavora su materiali innovativi a base di carbonio per applicazioni energetiche. Il controllo del disordine strutturale e della densità elettronica alla superficie di sistemi macromolecolari complessi (1D e 2D) a base di carbonio rappresenta una straordinaria opportunità per lo sviluppo di materiali catalitici sostenibili e nanostrutturati privi di metalli. Siti carboniosi ad alta energia possono interagire con molecole di piccole dimensioni favorendone, in opportune condizioni, la trasformazione e valorizzazione. Elettrocatalizzatori a base di tali materiali sono stati sviluppati ed impiegati con successo in processi fondamentali, al cuore della tecnologia delle energie rinnovabili, come la reazione di riduzione elettrochimica dell’ossigeno (ORR, Figura 6). Progetti attivi in questo settore sono: progetto regionale (Alsazia) DECOrATE “Nitrogen-DopEd carbon-based COAtings for macroscopically shaped metal-free catalysts active in the Treatment of gaseous Effluents”; progetto europeo FP7 NANoREG “A common European approach to the regulatory testing of Manufactured Nanomaterials”; progetto europeo FP7-NMP FREECATs “Doped carbon nanostructures as metal-free catalysts”; progetto FIRB-(MIUR) TERANOSTICA “Approcci nanotecnologici per la teranostica dei tumori”; progetto bandiera CNR NanoMAX – Encoder “Engineering Nanostructures for Cellular imaging and for intracellular delivery of Optically active Drugs for cardiac hypERtrophy”; progetto Regione Toscana PAR FAS NANOCELL “Optical nanosensors into the cells”.

Per maggiori informazioni: http://www.iccom.cnr.it/giambastiani/

Figura 6. Catalizzatori privi di metalli per la riduzione di O2: nanotubi di carbonio (CNTs) dopati con gruppi organici all’azoto. 

Il ThC2-Lab (PI) riunisce un gruppo di ricercatori che si occupano dello studio teorico di processi chimici determinanti per la produzione sostenibile dell’energia: dalla riduzione della CO2 alle celle a combustibile a idrogeno. Lo scopo è prevedere tramite simulazioni al calcolatore le trasformazioni di CO2, O2, H2 e composti carboniosi su catalizzatori formati da nanoparticelle metalliche supportate, di delineare di principi guida che sottendono a tali trasformazioni, e così arrivare all’ottimizzazione di catalizzatori che rispondano alle attuali esigenze di efficienza, costo, e compatibilità ambientale (Figura 7a). Gli studi teorici si estendono anche ai processi fondamentali che avvengono in una cella solare a coloranti, nella modellizzazione e nello studio di processi di trasferimento di energia in sistemi donatore/accettore con lo scopo di sviluppare modelli adatti ad ottenere una descrizione realistica di questi processi e di migliorare le prestazioni delle celle stesse, per un design ragionato di sistemi fotosintetici artificiali (Figura 7b).

Figura 7. (a) Modellistica teorica per le trasformazioni di molecole di interesse energetico (CO2, O2, H2) sulla superficie di catalizzatori eterogenei; (b) modellistica teorica dei processi all’interno di una DSSC. 

INFRASTRUTTURE E STRUMENTAZIONE

ICCOM è completamente attrezzato per la ricerca in campo energetico, per l’analisi e la caratterizzazione di materiali sia in soluzione che allo stato solido. Le strumentazioni a disposizione sono le seguenti:

-        Scribner Fuel Cell Test Stations (850c e 850e)

-        Arbin BT2000 test station

-        Simulatore solare ABET Te

-        Potenziostati Princeton Parstat 2273

-        Potenziostato Metrohm PGSTAT101

-        Pressa idraulica GIBITRE Instruments

-        Misuratori di portata BRONKHORST HI-TECH

-        Reattore in flusso Hiden CATLAB

-        Analizzatore superficiale Micromeritics® ASAP2020N con modulo di chemisorbimento

-        Diffrattometro a polveri X'PERT PRO Pananalytical

-        Analisi elementare VARIAN ICP-EOS 720

-        Cromatografia ionica METROHM 761

-        Cromatografia liquida HPLC Shimadzu LC8A

-        Spettroscopia infrarossa Nicolet 6700 FTIR

-        Modulo di riflessione SPECEC per Nicolet

-        Spettrometri FT-IR ed NMR per misure sia in condizioni ambienti che ad alte pressioni (HP-NMR), con la possibilità di combinare queste ultime con alte/basse temperature; strumenti BRUKER Avance DRX-400 e 300 MHz, per campioni sia in soluzione che allo stato solido (31P- e 13C-MAS NMR)

-        MBRAUN LABMASTER glove-box in atmosfera di azoto per manipolazione di campioni sensibili

-        TGA-MS EXSTAR 6000

-        Risorse di calcolo: Cluster Sole e Baleno (264 CORE +20 TB STORAGE), FORM, GROWTH e DPM

 

ICCOM è gestore diretto del Centro di Microscopie Elettroniche (CEME) del CNR di Firenze (http://www.ceme.fi.cnr.it/), con libero accesso alle attrezzature CEME: microscopi SEM e TEM. Inoltre, per la modellistica teorica ICCOM ha un centro di calcolo dedicato nella sede di Pisa: il ThC2-Lab (www.pi.iccom.cnr.it/thc2-lab).

TEMATICHE/SETTORI DI INTERVENTO

-        Produzione di energia da fonti rinnovabili

-        Produzione sostenibile di energia da fonti fossili

-        Ricerca energetica di frontiera