Catalisi: fondamenti e applicazioni per l'ambiente e l'economia circolare
A.A. 2025/2026
Obiettivi formativi
L'insegnamento si prefigge di fornire le basi per la comprensione delle trasformazioni chimiche che avvengono con l'ausilio di catalizzatori chimici in fase omogenea ed eterogenea e di catalizzatori biologici (enzimi). A tale scopo, accanto alla descrizione dei concetti teorici della catalisi vengono descritti esempi di importanti processi catalitici reali di interesse ambientale e della chimica industriale per lo sviluppo sostenibile e l'economia circolare.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente sarà in grado di acquisire conoscenze cinetiche e molecolari sui processi reattivi che si verificano in presenza di "elementi terzi" (catalizzatori omogenei, enzimatici ed eterogenei) che aumentano la velocità di reazione e migliorano la selettività del processo reattivo. Questi concetti saranno utili per affrontare in maniera critica il design di catalizzatori per processi di interesse industriale o per la tutela dell'ambiente.
Periodo: Primo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento non può essere seguito come corso singolo. Puoi trovare gli insegnamenti disponibili consultando il catalogo corsi singoli.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Primo semestre
Programma
Modulo A:
Introduzione alla catalisi; Reattività chimica: aspetti cinetici e termodinamici; Superfici di energia potenziale e loro modifica da parte dei catalizzatori. Classificazione dei catalizzatori. Catalisi industriale e indicatori di prestazione. Catalisi omogenea. Catalisi acida omogenea e applicazioni. Catalisi enzimatica. Immobilizzazione di catalizzatori omogenei ed enzimatici. Superficie chimica e reattività superficiale. Adsorbimento e isoterme di adsorbimento. Catalisi eterogenea e applicazioni. Nanocatalisi.
Modulo B:
Richiami di elettrocatalisi e fotocatalisi. Applicazione dei loro principi nell'ambito di diversi processi catalitici, in particolare quelli rilevanti alla chimica sostenibile, alla produzione di combustibili, lo stoccaggio di energia rinnovabile e l'utilizzo efficace dell'energia (ad esempio produzione di idrogeno "verde", cattura e conversione dell'anidride carbonica e rimozione di inquinanti con tecnologie d'avanguardia). Aspetti chimico fisici della preparazione dei catalizzatori. Tecniche chimico fisiche inerenti alla caratterizzazione dei materiali catalitici tra cui: spettroscopia transiente per lo studio di dinamiche veloci in semiconduttori foto-attivi o tecniche di superficie a scala atomica e per seguire, operando, i processi catalitici.
Introduzione alla catalisi; Reattività chimica: aspetti cinetici e termodinamici; Superfici di energia potenziale e loro modifica da parte dei catalizzatori. Classificazione dei catalizzatori. Catalisi industriale e indicatori di prestazione. Catalisi omogenea. Catalisi acida omogenea e applicazioni. Catalisi enzimatica. Immobilizzazione di catalizzatori omogenei ed enzimatici. Superficie chimica e reattività superficiale. Adsorbimento e isoterme di adsorbimento. Catalisi eterogenea e applicazioni. Nanocatalisi.
Modulo B:
Richiami di elettrocatalisi e fotocatalisi. Applicazione dei loro principi nell'ambito di diversi processi catalitici, in particolare quelli rilevanti alla chimica sostenibile, alla produzione di combustibili, lo stoccaggio di energia rinnovabile e l'utilizzo efficace dell'energia (ad esempio produzione di idrogeno "verde", cattura e conversione dell'anidride carbonica e rimozione di inquinanti con tecnologie d'avanguardia). Aspetti chimico fisici della preparazione dei catalizzatori. Tecniche chimico fisiche inerenti alla caratterizzazione dei materiali catalitici tra cui: spettroscopia transiente per lo studio di dinamiche veloci in semiconduttori foto-attivi o tecniche di superficie a scala atomica e per seguire, operando, i processi catalitici.
Prerequisiti
Conoscenza delle leggi della cinetica chimica, della chimica fisica, della chimica inorganica di base e della chimica organica di base.
Metodi didattici
La didattica si svolgerà attraverso lezioni frontali volte a fornire strumenti di conoscenza e a risolvere problemi legati alle problematiche della reattività chimica e del design di un catalizzatore.
Materiale di riferimento
Alcuni libri di testo sono suggeriti per la consultazione. Alcuni dei libri di testo sono reperibili dagli studenti attraverso la piattaforma Minerva (https://unimi.primo.exlibrisgroup.com).
Modulo A:
Catalysis. Concepts and Green Applications, G. Rothenberg, Wiley-VCH, Weinheim, 2008 (ISBN: 978-3-527-31824-7)
Catalytic Chemistry, Bruce C. Gates, John Wiley & Sons, New York 1992 (ISBN:0-471-55914-8)
Catalysis - An Integrated Textbook for Students, U. Hanefeld, L. Lefferts, Wiley-VCH.
Molecular heterogeneous catalysis : a conceptual and computational approach Santen, R. A. van (Rutger A.), author.; Neurock, Matthew, author. 2006
Nanoparticles and catalysis, Astruc, D. (Didier), editor. 2008
Environmental catalysis Knözinger, H. Contributor; Weitkamp, J. Contributor; Ertl, G. Contributor; Knözinger, H. Contributor 1999
Modulo B
Semiconductor photocatalysis : principles and applications Kisch, H., Editor: Wiley, 2015
Electrochemical methods: fundamentals and applications Bard, A. J., Faulkner L. R., White H. S., Editor: Wiley 2022
Altri libri di testo o articoli scientifici saranno indicati dai docenti al termine di ogni incontro con specifico riferimento agli argomenti trattati.
Periodicamente, ulteriore materiale utile per lo studio potrà essere fornito dai docenti sotto forma di slides-dispense.
Modulo A:
Catalysis. Concepts and Green Applications, G. Rothenberg, Wiley-VCH, Weinheim, 2008 (ISBN: 978-3-527-31824-7)
Catalytic Chemistry, Bruce C. Gates, John Wiley & Sons, New York 1992 (ISBN:0-471-55914-8)
Catalysis - An Integrated Textbook for Students, U. Hanefeld, L. Lefferts, Wiley-VCH.
Molecular heterogeneous catalysis : a conceptual and computational approach Santen, R. A. van (Rutger A.), author.; Neurock, Matthew, author. 2006
Nanoparticles and catalysis, Astruc, D. (Didier), editor. 2008
Environmental catalysis Knözinger, H. Contributor; Weitkamp, J. Contributor; Ertl, G. Contributor; Knözinger, H. Contributor 1999
Modulo B
Semiconductor photocatalysis : principles and applications Kisch, H., Editor: Wiley, 2015
Electrochemical methods: fundamentals and applications Bard, A. J., Faulkner L. R., White H. S., Editor: Wiley 2022
Altri libri di testo o articoli scientifici saranno indicati dai docenti al termine di ogni incontro con specifico riferimento agli argomenti trattati.
Periodicamente, ulteriore materiale utile per lo studio potrà essere fornito dai docenti sotto forma di slides-dispense.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Per il Modulo A, l'apprendimento da parte degli studenti sarà verificato con:
a) Una prova in itinere che si terrà al termine delle lezioni del Modulo, indicativamente a metà novembre. La prova sarà composta da tre parti: esposizione di un argomento a scelta tra quelli del modulo (massimo un foglio protocollo) - 15 punti; risoluzione di un problema numerico - 5 punti; domande a risposta multipla - 10 punti.
oppure con
b) Una provale orale finale che consisterà discussione su un argomento a scelta degli esaminatori: gli studenti saranno chiamati a rispondere ad un quesito su un argomento selezionato dalla commissione d'esame tra quelli trattati nel Modulo A.
Per il modulo B, le conoscenze apprese durante questa parte del corso verranno valutate tramite la presentazione orale di una relazione scritta incentrata su un articolo scientifico tratto dalla recente letteratura internazionale a scelta dello studente e riguardante i contenuti del modulo. Al termine della presentazione seguirà una discussione con riferimento ad argomenti del programma del corso.
Ogni parte dell'esame ha lo stesso peso nella valutazione finale, contribuendo a un punteggio totale espresso in trentesimi. I parametri di valutazione includono: capacità di organizzare discorsivamente la conoscenza; capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato; qualità dell'esposizione, competenza nell'impiego del lessico specialistico; capacità di integrare conoscenze e approcci provenienti da discipline diverse nell'affrontare il complesso problema del design dei catalizzatori.
a) Una prova in itinere che si terrà al termine delle lezioni del Modulo, indicativamente a metà novembre. La prova sarà composta da tre parti: esposizione di un argomento a scelta tra quelli del modulo (massimo un foglio protocollo) - 15 punti; risoluzione di un problema numerico - 5 punti; domande a risposta multipla - 10 punti.
oppure con
b) Una provale orale finale che consisterà discussione su un argomento a scelta degli esaminatori: gli studenti saranno chiamati a rispondere ad un quesito su un argomento selezionato dalla commissione d'esame tra quelli trattati nel Modulo A.
Per il modulo B, le conoscenze apprese durante questa parte del corso verranno valutate tramite la presentazione orale di una relazione scritta incentrata su un articolo scientifico tratto dalla recente letteratura internazionale a scelta dello studente e riguardante i contenuti del modulo. Al termine della presentazione seguirà una discussione con riferimento ad argomenti del programma del corso.
Ogni parte dell'esame ha lo stesso peso nella valutazione finale, contribuendo a un punteggio totale espresso in trentesimi. I parametri di valutazione includono: capacità di organizzare discorsivamente la conoscenza; capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato; qualità dell'esposizione, competenza nell'impiego del lessico specialistico; capacità di integrare conoscenze e approcci provenienti da discipline diverse nell'affrontare il complesso problema del design dei catalizzatori.
Docente/i
Ricevimento:
Su richiesta via mail
Stanza R33S Piano rialzato, corpo B del Dipartimento di Chimica
Ricevimento:
Tutti i giorni previo appuntamento
Dipartimento di Chimica, Corpo B, piano terra ufficio R28