CATALISI

Lo scopo dell'insegnamento è di fornire le basi sui principi della catalisi dando una visione unificata dei concetti di reattività e selettività al fine di comprendere meglio le attuali direzioni di sviluppo della chimica moderna con particolare attenzione alla sostenibilità energetica e ambientale dei processi chimici. L'insegnamento si propone di fornire agli studenti strumenti teorici e dati sperimentali che permettano di: comprendere le relazioni tra composizione, struttura e proprietà catalitiche delle principali tipologie di catalizzatori e di familiarizzare con alcuni tipologie di processi catalitici, come per esempio le reazioni di idrogenazione, di ossidazione parziale, di polimerizzazione.

The aim of the course is to provide the bases on the principles of catalysis by giving a unified vision of the concepts of reactivity and selectivity in order to better understand current directions of development of modern chemistry, with particular attention to energy efficiency and environmental sustainability of chemical processes. The course aims to give to the students theoretical and experimental instruments to understand the relationship between composition, structure and catalytic properties of the most commune types of catalysts and to get familiar with some catalytic processes such as hydrogenation reaction, partial oxidation and polymerization.

INTRODUZIONE

Che cos’è un catalizzatore e su cosa agisce.

Catalizzatori omogenei ed eterogenei.

Un rapido excursus sui principali prodotti della chimica di base con cenni storici sulla loro produzione; dove la catalisi gioca un ruolo fondamentale.

I PROCESSI ALLA BASE DELLA CATALISI

Riconoscimento molecolare: il substrato deve poter accedere al sito attivo.

Adsorbimento: importanza della superficie nei catalizzatori eterogenei.

I processi di adsorbimento e la loro misura.

I COSTITUENTI FONDAMENTALI DI UN CATALIZZATORE

Fase attiva (single-site o multiple site), leganti (catalisi omogenea) e supporto (catalisi eterogenea), eventuale solvente.

Materiali ad alta area superficiale come supporti: ossidi e carboni.

I metodi principali di deposizione della fase attiva sul supporto.

Materiali microporosi che trovano applicazioni come supporti, ma anche come catalizzatori.

Rapido excursus sulle principali tecniche di caratterizzazione di un catalizzatore eterogeneo.

PRINCIPALI PROCESSI CATALITICI DI IMPORTANZA INDUSTRIALE

1) L’attivazione della molecola di idrogeno.

Catalizzatori di idrogenazione.

Il concetto di selettività nei catalizzatori di idrogenazione.

Relazione tra struttura, attività e selettività.

2) L'attivazione della molecola di azoto.

La sintesi dell'ammoniaca.

3) L’attivazione della molecola di CO.

La reazione di water gas shift.

Dal syn gas ai combustibili sintetici.

Il prcesso di Fisher-Tropsh e la sintesi del metanolo.

4) Dal metano agli idrocarburi.

Produzione di idrocarburi per la chimica di base e come combustibili.

Processi di cracking e fcc.

Da metanolo a idrocarburi e da metanolo a olefine.

5) Attivazione della molecola di NO.

Catalizzatori per la conversione degli NO_x.

La marmitta catalitica.

6) Catalizzatori per la produzione di energia da fonti rinnovabili.

7) Cattura e conversione della CO₂

8) Attivazione della molecola di ossigeno.

Catalizzatori di ossidazione.

Il concetto di selettività nei catalizzatori di ossidazione: catalizzatori di ossidazione parziale.

9) L’attivazione delle olefine.

Catalizzatori di polimerizzazione e oligomerizzazione di olefine.

Il concetto di selettività nei catalizzatori di conversione delle olefine.

INTRODUCTION

What is it a catalyst?

Homogeneous and heterogeneous catalysts.

A quick excursus on the most commune chemical products with historical mention about their production; where catalysis play a key role.

PROCESSES AT THE BASIS OF CATALYSIS

Molecular recognition: the substrate must reach the active site.

Adsorption: relevance of the surface in heterogeneous catalysts.

Adsorption phenomena and how to measure them.

MOST RELEVANT COMPONENT OF A CATALYST.

Active phase (single site, multiple site); ligands (homogeneous catalysis) and support (heterogeneous catalysis); the role of the solvent.

High surface area materials as supports: oxides and carbon.

Most commune ways to deposit the active phase on the support.

Microporous materials that find applications as support, but also as catalysts.

Quick excursus on the most commune techniques used to characterize an heterogeneous catalyst.

MOST COMMUNE CATALYTIC PROCESSES INDUSTRIALLY RELEVANT.

1) Activation of H₂.

Hydrogenation catalysts.

The concept of selectivity in case of hydrogenation catalysts.

Relationship among structure, activity and selectivity.

2) Activation of nitrogen.

Ammonia synthesis

3) Activation of CO.

The reaction of water gas shift.

From the syn gas to synthetic gasoline.

Fisher-Tropsh process and methanol synthesis.

4) From the methane to hydrocarbon.

Hydrocarbon production for chemicals and for fuels.

Cracking and fcc processes.

Methanol-to-hydrocarbon and methanol-to-olefin.

5) Activation of NO.

Catalysts for NO_x conversion.

The catalytic converter

6) Catalysts to produce Energy from renewable sources

7) Capture and conversion of CO₂.

8) Activation of O₂.

Oxidation catalysts.

The concept of selectivity in case of oxidation catalysts: catalysts for partial oxidation.

9) Activation of olefins.

Polymerization and oligomerization catalysts.

The concept of selectivity into the catalysts for olefin conversions

Lezioni frontali (48 ore)

Frontal lessons (48 hours)

L'esame, unificato per i due docenti, è orale e sarà finalizzato alla verifica dell'apprendimento di quanto spiegato a lezione.

La valutazione avverrà in trentesimi.

The exam, a single one for both  professors, is oral and will be devoted to verify the knowledge of what has been explained during the lessons.

The evaluation will be expressed in thirtieths.

Non sono previste attività di supporto

There are no support activity

Gli appunti del docente saranno disponibili in rete.

Il materiale per approfondimenti e integrazioni sarà eventualmente indicato dai docenti durante lo svolgimento del corso, e sarà reperibile nella Biblioteca Chimica o in rete.

Notes written by the teachers will be available online.

Additional research material will be suggested by the teachers along the course and it will be available at the library or online.