1. Di cosa si occupa la tematica di ricerca

La tematica di questa attività include da una parte lo sviluppo di nuovi materiali e processi per la trasformazione della biomassa in molecole piattaforma e biofuels, per la conversione e l’accumulo elettrochimico di energia pulita, per la valorizzazione del biossido di carbonio in prodotti ad alto valore aggiunto, energetico o industriale, per la generazione di vettori energetici come ad esempio l’idrogeno. Questa attività si occupa anche della riduzione delle emissioni da motori a combustione interna (autoveicoli e navi), della sensoristica e dell’abbattimento di inquinanti presenti sia in atmosfera che nelle acque.

L’altro macrotema affrontato riguarda la ricerca sui sistemi di conversione dell’energia solare in energia elettrica e prevede lo sviluppo di tecnologie fotovoltaiche emergenti quali celle solari organiche (OPV), a perovskite (PSC) e a colorante (DSSC). In particolare, vengono studiati aspetti fondamentali quali: i) materiali fotoattivi di natura organica e/o ibrida ad elevata efficienza, ii) materiali funzionali innovativi di vario genere (substrati, interstrati, elettrodi), iii) architettura del dispositivo e, iv) metodi/processi di fabbricazione sicuri, riproducibili e scalabili. Inoltre, di fondamentale importanza è l’impiego di materiali e processi sempre più sostenibili e a ridotto impatto ambientale sia in fase di produzione/processo che di smaltimento dei dispositivi.

La tematica include anche i sistemi elettrochimici di accumulo e conversione dell’energia e prevede lo sviluppo e lo studio di materiali innovativi derivanti da fonti naturali e da materiali di scarto (es. agricoli, industriali, minerari, biomassa) per batterie al litio di nuova generazione e nuove chimiche alternative al litio e supercondensatori, sostenibili, sicuri, a basso impatto ambientale e basso costo per la mobilità elettrica e per applicazioni stazionarie (es. eolico, fotovoltaico).

2. Con quali strumenti

I materiali vengono sviluppati ottimizzando le condizioni di preparazione con l’utilizzo di reagenti a bassa tossicità e tecnologie che permettono la riduzione delle temperature e dei tempi di reazione (sintesi idrotermiche, sol gel, assistite da microonde, solution combustion). Le tecniche di caratterizzazione strutturale, redox, microstrutturale e di superficie, combinate con i test catalitici ed elettrocatalitici, consentono di ricavare informazioni importanti sulle relazioni sintesi-struttura–proprietà dei materiali e sull’efficienza dei processi. Viene anche studiato l’utilizzo di precursori provenienti da materiali di scarto e da rifiuti, che vengono riciclati come precursori degli elementi, stampi microstrutturali o materie prime seconde per la produzione di composti ad alto valore aggiunto. Studi di modellizzazione consentono il design di materiali innovativi ed una accurata previsione delle loro proprietà. Nel campo della produzione di energia, si utilizzano varie tecnologie per l’ottenimento di idrogeno a vari gradi di purezza e/o che prevedono al contempo l’utilizzo di CO₂ e lo sviluppo di sistemi selettivi e robusti per realizzare prodotti quanto più possibile carbon-neutral attraverso processi sostenibili. A titolo d’esempio sono studiati i processi di reforming (dry e steam), sono sviluppati materiali per celle a combustibile (SOFC), elettroriduzione della CO₂, trasformazione delle biomasse di tipo cellulosico e oleoso in molecole piattaforma e biocombustibili.

Laboratori e ambienti controllati: clean-room e glove-box

Sistemi di deposizione da soluzione: spin-coating, blade-coating, slot-die coating, doctor-blade

Sistemi di deposizione ad alto vuoto: camere per la sublimazione di materiali di varia natura (metalli, organici, inorganici)

Piattaforme di caratterizzazione avanzata: ottica, strutturale, chimico-fisica, di superficie, morfologica, elettrica e fotofisica su singoli materiali, sotto-strutture e dispositivi finiti

Piattaforma per studi di stabilità su dispositivi finiti in condizioni di stress accelerato (es. elettrico, termico, luminoso)

L’applicazione di metodi di modelling e data-driven, di paradigmi di digitalizzazione, virtualizzazione e predittivi (simulazioni multi-scala, digital twin) e di infrastrutture per il calcolo ad alte prestazioni (HPC) è utilizzata per supportare la sfida dello sviluppo di batterie di nuova generazione con prestazioni migliori in termini di energia, potenza, sicurezza, sostenibilità e riciclabilità, rispetto a quelle attualmente presenti sul mercato.

3. Quali sono gli obiettivi

L’obiettivo della linea di ricerca energia e ambiente è quello di progettare e fabbricare materiali innovativi per lo sviluppo sostenibile e la transizione ecologica ed energetica: ad es. processi basati sul recupero e la valorizzazione della CO₂, produzione di combustibili low carbon, sviluppo di sistemi per la conversione (celle fotovoltaiche) e l’accumulo elettrochimico dell’energia per applicazioni stazionarie e per la mobilità sostenibile  a basso impatto ambientale ed aumentate efficienze e prestazioni. Inoltre, la tematica mira allo sviluppo e allo studio di materiali e sistemi che siano altamente attivi e selettivi per la riduzione efficace dell’impatto antropico delle emissioni ambientali, sia dal punto di vista delle emissioni di CO₂ (riferite all’intero processo di vita del combustibile) che delle emissioni di inquinanti (come NO_X, CO, VOCs, particolato).

4. Impatto nella vita quotidiana

I materiali che vengono progettati e studiati nella linea di ricerca su energia e ambiente possono trovare applicazione in vari settori. Ad esempio, Il riciclo e la valorizzazione di scarti (es. agroalimentari, industriali e minerari) sono studiati per lo sviluppo di materiali e dispositivi per la produzione di vettori energetici, di celle solari, di batterie e supercondensatori, permettendo di far rientrare nel ciclo produttivo come materie prime secondarie risorse altrimenti inutilizzate e contemporaneamente di ridurre la quantità di scarti da smaltire, riducendo l’impatto delle comunità urbane, dei processi e delle tecnologie industriali.

I materiali per la produzione di idrogeno da reforming del metano possono essere sfruttati dalle aziende di valorizzazione dei rifiuti umidi urbani e per la produzione di energia nel territorio; materiali per l’abbattimento di NO_X trovano applicazione oltre che nell’industria automobilistica nel settore navale, riducendo la quantità delle emissioni in porto e consentendo la navigazione di navi da crociera e mercantili nelle zone ad emissione controllata. I materiali per l’ottimizzazione delle celle a combustibile sono studiati per l’utilizzo in grandi navi per la produzione di energia; i materiali per la riduzione di inquinanti come CO e VOCs trovano applicazione sia nei dispositivi per la purificazione dell’aria negli ambienti indoor, sia per lo sviluppo di sensori.