CHEMISTRY AND ENERGY

In ambito internazionale la ricerca in ambito energetico viene sempre più condizionata dalle inevitabili ripercussioni climatiche e ambientali legate all’utilizzo eccessivo dei combustibili fossili e quindi ad una concreta tendenza verso la decarbonizzazione e l’utilizzo di rinnovabili. Importante in questo senso la costituzione dell’Unione per l’Energia, sfociata nel dicembre 2015 nella ratifica dei cosiddetti Accordi di Parigi (siglati a margine del COP21), secondo i quali attività strettamente legate ad una produzione energetica più environmentally friendly, si devono accompagnare a necessità di sviluppo di sistemi innovativi di accumulo (elettrico, termico e chimico) e a mezzi di efficientamento energetico sempre più efficaci per tendere in un arco temporale di pochi lustri alla decarbonizzazione globale del sistema energetico mondiale e, di conseguenza, anche nazionale. E’ necessario quindi mutare il sistema energetico non solo promuovendo una maggior penetrazione delle rinnovabili propriamente dette, ma anche puntando ad un utilizzo efficiente dell’energia e ad una progressiva decarbonizzazione dei combustibili privilegiando biocombustibili e combustibili alternativi come l’idrogeno e prevedendo il recupero e l’utilizzo della CO2 emessa.
In questo panorama, la chimica e la scienza dei materiali giocano un ruolo fondamentale, riconosciuto e indicato a livello mondiale anche dalla IEA nei suoi recenti documenti strategici ed analitici, per la comprensione dei meccanismi, la realizzazione e l’upscaling di processi e prodotti in grado di guidare un sistema energetico ancora fortemente legato ai combustibili fossili verso un nuovo paradigma più rispettoso di uomo e ambiente ed in grado, tuttavia, di garantire il tenore di vita ormai acquisito (o in via di acquisizione).

Le attività DSCTM in questa area strategica, si focalizzano su 4 linee principali:
- Solar fuels e riutilizzo di CO2
- Fotovoltaico di terza e quarta generazione (organico e ibrido)
- Idrogeno e celle a combustibile
- Processi e tecnologie di utilizzo delle biomasse

Risulta chiaro come in queste aree tematiche sia importante l’apporto della scienza dei materiali e della chimica nello sviluppo di dispositivi efficienti e sostenibili. Nei combustibili solari (solar fuels) le attività considerano tutti i diversi meccanismi (e quindi i dispositivi) secondo cui acqua e anidride carbonica, inseguendo il sogno di realizzare in laboratorio quanto accade in natura col processo fotosintetico, possono essere trasformati in combustibili: da elettrolisi di acqua o co-elettrolisi con CO2 utilizzando energia proveniente da rinnovabili, fino alla conversione fotocatalitica.

Nel primo caso diversi gruppi del DSCTM studiano sistemi di conversione ad alta e bassa temperatura (adatti anche alla co-elettrolisi) dove prevalente è l’attività volta alla produzione di sistemi nanostrutturati che possono agire anche da catalizzatori efficienti.  Nel secondo, le attività sono soprattutto legate allo sviluppo di sistemi fotochimici e catalitici (omogenei e eterogenei) per la riduzione dell’acqua e la reazione con la CO2; all’individuazione di sistemi organici, metallorganici e ibridi per la cattura della luce solare (sistemi antenna) e alla realizzazione di film semiconduttivi, ossatura delle cosiddette celle fotoelettrochimiche (PEC) nonché alla realizzazione dei relativi dispositivi e loro validazione. Le attività sono corredate da studi modellistici ab initio e da tecnologie di caratterizzazione fotochimica, strutturale, microstrutturale e meccanicistica di assoluto livello. In particolare, larga parte degli studi meccanicistici a livello internazionale è oramai sostenuta dal modelling computazionale, che permette di identificare meccanismi di reazione ed intermedi catalitici difficilmente accessibili sperimentalmente, consentendo l’ottimizzazione dei processi di conversione e la loro selettività. Accanto allo studio di singoli elementi è presente un’intensa attività di sviluppo di tecnologie di crescita e deposizione di film che sfrutta concetti di self-assembly e chimica supramolecolare nonché tecnologie di deposizione sia chimica che fisica di nanosistemi attentamente ingegnerizzati. Ancillari alle precedenti, sono le attività dedicate alle tecnologie di cattura (MOF, sistemi inorganici, etc.) e separazione (membrane) del biossido di carbonio e di idrogeno dai flussi gassosi (sia ad alta che a bassa temperatura) fondamentali per trasformare l’anidride carbonica da rifiuto a possibile risorsa. 
Per i dispositivi fotovoltaici di terza e quarta generazione, l’attività è volta all’accurata conoscenza della chimica dei materiali e dei processi di produzione e deposizione, collegata a modellazione e studio meccanicistico dei fenomeni di trasporto eccitonico ed elettronico coinvolti. Di rilievo le attività collegate allo sviluppo di (i) celle fotovoltaiche organiche (OPV), con studi sia dell’influenza di piccole molecole che di polimeri adeguati così come di tecniche di produzione sempre più performanti, a larga scala e a basso costo e controllo prestazionale multilivello; (ii) dye sensitized solar cells (DSSCs), sia in termini di modeling che di sviluppo di materiali e processi per la deposizione di strati nanostrutturati, dello studio di coloranti innovativi e di tecniche elettrochimiche avanzate di analisi e validazione. Le attività sulle perovskiti alogenuro organiche sono focalizzate sul modeling computazionale e sullo studio e caratterizzazione di nuovi materiali.
Nell’area legata all’economia dell’idrogeno, le attività, si focalizzano sull’intera filiera che comprende produzione, immagazzinamento ed utilizzazione di questo vettore energetico. Di livello internazionale sono i gruppi che studiano la produzione di catalizzatori omogenei, eterogenei ed elettrocatalizzatori per sistemi a bassa temperatura (PEM, DAFC) e di materiali e componenti per celle a combustibile ad alta temperatura (SOFC). Oltre allo sviluppo di singoli elementi e materiali, vengono considerate anche attività in grado di portare alla produzione e caratterizzazione di singoli dispositivi di dimensione precompetitiva. 
Nel campo dell’accumulo energetico infine, oltre alle attività legate a quello chimico (solar fuels) si annoverano importanti realtà legate ad accumulo termico (materiali a cambiamento di fase, nanofluidi come fluidi vettori, assorbitori termici per alte temperature) e al heating and cooling mentre nel campo dell’accumulo elettrochimico sono sviluppati sistemi elettrochimici alternativi alle batterie al litio. Il riciclo ed il recupero dei materiali di scarto negli “esausti elettronici”, in primis dalle batterie al litio, è un’altra area dove si collocano competenze eccellenti del Dipartimento. Di assoluta eccellenza e con un ruolo di leadership internazionale sono gli studi sul lightingdi nuova generazione a basso costo, larga area, flessibile e integrabile in sistemi intelligenti con elettronica a bordo.
Nel settore dell’energia da biomasse e in particolare nella produzione di biocarburanti, sono previste attività volte a realizzare processi basati su “biomasse su misura” coltivate su terreni marginali e aridi e da scarti di produzione agroalimentare. L’utilizzo di questi materiali insieme all’uso di processi chimici studiati ad hoc, assicura buona qualità e basso costo del biocarburante. Per questo motivo si prevede che particolare rilevanza strategica potranno avere nuovi processi per la preparazione di biodiesel. Notevoli sono anche le competenze sulla produzione di bioidrogeno da parte di batteri estremofili che hanno condotto a brevetti e collaborazioni industriali.

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