Introduzione

CORSO DI DOTTORATO DI RICERCA INNOVATIVO A CARATTERE INTERNAZIONALE ED INTERSETTORIALE (INDUSTRIALE) ACCESS (Advanced Catalytic Processes for using Renewable Energy Sources)

  • Anno Accademico: 2020-2021  Ciclo: XXXVI
  • Anno Accademico: 2021-2022  Ciclo: XXXVII

 
Coordinatore: Prof. Gabriele Centi, Dipartimento di Scienze Chimiche, Biologiche, Farmaceutiche e Ambientali
 
Durata: 3 anni
 
Posti e borse di studio:

  • ciclo XXXVI:  5 posti con borsa di studio, di cui 2 presso Università estere in convenzione e 2 su fondi progetto ERC Synergy SCOPE; posti aggiuntivi con borsa (nr. 4) su fondi Regione Sicilia (nr. 1, Programma Operativo della Regione Siciliana, Fondo Sociale Europeo 2014/2020), nr. 2 su fondi PON Ricerca ed Innovazione 2014-2020 "Dottorati Innovativi a Carattere Industriale), nr. 2 (di cui solo uno utilizzato causa mancanza candidati) su fondi  PON Ricerca ed Innovazione 2014-2020 FSC - Fondo per lo Sviluppo e la Coesione" (Dottorati a tema vincolato - aree interne/aree marginalizzate)
  • ciclo XXXVII: 6 posti con borsa di studio, di cui 2 presso Università estere in convenzione e 2 su fondi progetto ERC Synergy SCOPE ed uno senza borsa; posti aggiuntivi in definizione.

 
Data inizio corso:

  • XXXVI ciclo: 1 Novembre 2020
  • XXXVI ciclo: 1 Ottobre 2021 (programmato)
Descrizione
Questo Dottorato in cooperazione con Università estere ed imprese deriva dal progetto ERC Synergy SCOPE (Surface-COnfined fast-modulated Plasma for process and Energy intensification in small molecules conversion; progetto nr. 810182 finanziato da EU-H2020 in totale per circa 10 M€ -durata 6 anni dal 02/04/19), che è coordinato dall’Università di Messina ed ha come partners le due Università straniere (Università di Anversa - Belgio - ed Università Tecnica di Eindhoven, Olanda) partecipanti al Dottorato. Si aggiunge al partenariato l’industria NEXTCHEM, del gruppo multinazionale Maire/Tecnimont, che ha come missione la ricerca e sviluppo di nuove soluzioni per l’economia circolare e la transizione energetica, ed ha vari progetti europei con i partners di questo Dottorato.
La tematica di questo Dottorato (sviluppo di processi catalitici basati sull’uso di energia rinnovabile), che vuole allargare il nucleo di attività e sinergie presenti nel progetto SCOPE, è centrale e molto rilevante per la transizione energetica e la mitigazione dei cambiamenti climatici, e quindi al centro di larghe iniziative europee, quali il Green Deal. Il Dottorato ha quindi l’obiettivo di formare studenti capaci di affrontare queste complesse tematiche, attraverso le competenze interdisciplinari presenti nei partecipanti al Collegio del Dottorato, sfruttando le sinergie esistenti e possibilità di mobilità offerte dall’esistenza di questo progetto ERC comune, oltre a vari altri progetti EU. 

Tematiche del Dottorato:
Il Dottorato Internazionale ACCESS mira a sviluppare un nuovo profilo scientifico per gli studenti di dottorato per rispondere alle esigenze sociali e industriali di utilizzare fonti di energia rinnovabile per lo stoccaggio di energia chimica, l'elemento mancante nell'attuale scenario energetico per aumentare la quota di energie rinnovabili permettendo il loro stoccaggio annuale e soprattutto trasporto da aree remote - due elementi cruciali per un futuro di energia sostenibile su scala globale e per sviluppare processi chimici guidati da energia rinnovabile, piuttosto che dal calore (derivante dai combustibili fossili) come attualmente.
Sviluppare tecnologie per questi obiettivi sarà quindi un fattore abilitante per un'energia a basse emissioni di carbonio e una produzione chimica, ma richiede di educare i giovani ricercatori su una serie di nuovi aspetti che sono scarsamente affrontati negli attuali curricula e approcci di formazione / ricerca:

  • Aspetti fondamentali: negli approcci foto ed elettro-guidati per utilizzare l'energia rinnovabile per l'accumulo di energia chimica e i processi chimici, ci sono una serie di domande scientifiche fondamentali: i) come usare specie abbastanza reattive (come fotoni, elettroni), caratterizzate da rapidi processi di trasformazione, nella trasformazione chimica con velocità di reazione inferiori di due o tre ordini di grandezza; ii) come controllare la selettività in questi processi, quando possono verificarsi reazioni multiple a valori simili di potenziale energetico per la loro trasformazione; iii) come aumentare la produttività degli elettrodi (per raggiungere valori rilevanti per lo sfruttamento industriale), pur mantenendo un'elevata efficienza e selettività degli elettrodi. La risposta è combinare catalisi con processi basati su plasma, foto o elettroni, ma, ad esempio, c'è ancora una comprensione abbastanza limitata della questione chiave della differenza tra elettrochimica ed elettrocatalisi, e quindi su come progettare elettrodi avanzati basati su questa comprensione.
  • Aspetti tecnologici: ci sono anche una serie di domande ugualmente rilevanti da affrontare dal punto di vista tecnologico: i) come operare in modo efficace e stabile in presenza di contaminanti tipici presenti nei flussi industriali da trattare, ii) come evitare la necessità di concentrare l'alimentazione (CO2, per esempio), con relativi costi. Una possibile soluzione è progettare un nuovo tipo di elettrodi, che integrano una membrana (che ha la funzione di concentrazione selettiva sulla superficie del catalizzatore) con l'elettro / foto catalizzatore. Questa è una nuova area per la progettazione di elettrodi compositi avanzati, ma che richiede di sviluppare nuove conoscenze per la sua implementazione. La realizzazione di una maggiore produttività degli elettrodi richiede anche la progettazione di nuovi elettrodi di tipo 3D, compresi i nuovi metodi di produzione (come la stampa 3D). È inoltre necessaria una nuova ingegneria dei dispositivi per implementare a livello sfruttabile questi processi.
  • Ampliare il campo di applicazione: estendere i campi di applicazione è un altro problema critico da passare dal laboratorio a un uso più ampio. Attualmente, la maggior parte della ricerca si concentra sulla scissione dell'acqua, con un crescente interesse per la conversione foto / elettro CO2, ma spesso limitata a conversioni piuttosto semplici (2e-) come la formazione di CO o acido formico. La sfida è quella di passare a trasformazioni più complesse, che coinvolgono la trasformazione multielettronica e possibilmente la formazione di legami C-C, al fine di creare una catena del valore veramente nuova basata sulla CO2. Il riutilizzo della CO2 nel quadro dei cicli produttivi di chiusura (per l'economia circolare) è un altro nuovo campo limitato solo a quello. La sintesi diretta di NH3 (o persino dell'urea) da N2 e H2O (e CO2, per l'urea) è un'altra area emergente, con un grande impatto potenziale (riduzione fino al 90% dell'impronta di carbonio). L'applicazione dei processi foto / elettro alla valorizzazione della biomassa sta solo iniziando a essere esplorata. Esistono molte possibilità, tra cui, ad esempio, la realizzazione del processo di ossidazione / riduzione in tandem per sviluppare nuovi processi chimici (ad esempio la produzione di acido adipico direttamente dal glucosio in un reattore elettrocatalitico in tandem) con un grande impatto e riduzioni dei costi e dell'impronta.

 
I dottorandi saranno così istruiti ad affrontare le sfide della trasformazione in corso nella produzione di energia e chimica in modo integrato / multidisciplinare. Solo in parte e non secondo l'approccio globale olistico delineato sopra, questi argomenti sono affrontati negli attuali corsi di dottorato e anche a livello di ricerca, ma spesso la maggior parte degli aspetti delineati sopra non viene affrontata in modo coerente.
 

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