Il laboratorio di sviluppo processi catalitici è sito al secondo piano del nuovo edificio del Dipartimento di Chimica Industriale “Toso Montanari”. E’ adibito allo svolgimento di numerose attività di ricerca, alcune di queste in collaborazione con aziende, contiene spazi dedicati ai laboratori didattici per le esperienze di laboratorio di chimica industriale (sia LT che LM in Chimica Industriale, LM in Low Carbon Technologies and Sustainable Chemistry “LoCaTe”) e può svolgere attività di supporto a terzi nella caratterizzazione dei materiali. In particolare, il laboratorio comprende uno spazio dedicato alla sintesi e alla caratterizzazione di catalizzatori eterogenei (ossidi metallici e/o nanoparticelle metalliche supportate); inoltre comprende più di trenta impianti in scala di laboratorio tra i quali alcuni operanti in fase liquida, reattori batch (autoclavi per lavorare in pressione) e reattori in continuo (reattore a flusso); mentre altri operanti in continuo in fase vapore. Il gruppo di ricerca ha a disposizione anche diverse stazioni per lo studio dei processi fotocatalitici ed elettrocatalitici.
Alcune delle tematiche di ricerca affrontate sono:
- Sintesi di catalizzatori a base di ossidi metallici multicomponente: preparazione, caratterizzazione chimico-fisica e studi di reattività in per reazioni condotte in fase gas o in fase liquida, sia in sistemi batch (es. autoclavi) che in flusso, oppure reazioni condotte in sistemi a flusso continuo in fase vapore.
- Le reazioni investigate riguardano principalmente la valorizzazione di molecole piattaforma derivate da materie prime di origine rinnovabile, sviluppando processi sostenibili nell’ambito della Green Chemistry:
(a) sintesi di metilmetacrilato da glicerolo; (b) sintesi di anidride maleica tramite ossidazione selettiva di n-butano e di 1-butanolo; (c) sintesi di derivati di composti fenolici mediante funzionalizzazione (alchilazioni, acilazioni, sostituzioni) di fenolo, catecolo, eugenolo e e difenoli; (d) riduzione mediante H-transfer di aldeidi e chetoni (chetoacidi) ottenuti da materie prime rinnovabili utilizzando alcoli leggeri come agenti riducenti; (e) idrogenazione di oli di origine vegetale; (f) ossidazione di oli di origine vegetale ad acidi mono e dicarbossilici; (f) esterificazione di acidi grassi; (g) idrolisi di lignocellulosa; (h) trasformazione di bioetanolo ad alcoli superiori (reazione di Guerbet); (i) sintesi di carbonati organici simmetrici ed asimmetrici mediante transcarbonatazione; (j) utilizzo di carbonati organici come reagenti innovativi.
- Catalizzatori a base di nanoparticelle metalliche supportate. Preparazione, caratterizzazione chimico-fisica e reattività in reazioni condotte in fase liquida: (a) idrogenazione di composti furanici ottenuti da materie prime rinnovabili; (b) idrogenazione di glicerolo; (c) ossidazione di glucosio; (d) scissione ossidativa di glicoli alifatici
- Sintesi di catalizzatori compositi mediante spray freeze drying ed elettrofilatura per applicazioni in processi di catalisi e fotocatalisi batch e continui. Sintesi di membrane catalitiche polimeriche. - Materiali a struttura geopolimerica. Preparazione, caratterizzazione e applicazione di materiali geopolimero/ossido o geopolimero/zeolite nel: (a) assorbimento della CO2; (b) reforming delle tar.
- Catalizzatori strutturati. Preparazione, caratterizzazione chimico-fisica e reattività in reazioni condotte in fase gas: (a) ossidazione parziale catalitica del metano a syngas; (b) steam reforming del biogas; (c) idrogenazione della CO2.
- Elettrocatalizzatori. Preparazione, caratterizzazione elettrochimica e chimico-fisica e reattività in reazioni condotte in fase liquida: (a) riduzione dell’HMF; (b) ossidazione del glucosio.
- Sviluppo di catalizzatori per applicazioni fotocatalitiche in fase liquida: a) Reazioni di decomposizione di inquinanti e depurazione delle acque, b) Reazioni di fotoossidazione di molecole piattaforma ottenute da materie prime rinnovabili (es. idrossimetilfurfurale e glicerolo); c) Foto-reforming di glicerolo per la produzione di H2 e prodotti chimici ad alto valore aggiunto.
Strumentazione a disposizione del laboratorio
- Forni e muffole
- Calcinatori per i trattamenti termici in atmosfera controllata
- pHmetri
- presse e setacci per la formatura di pellet di catalizzatori
- porosimetro e strumenti per la determinazione dell’area superficiale specifica dei catalizzatori (BET)
- strumento TPD-R-O (Desorbimento/Riduzione/Ossidazione in programmata di temperatura)
- in-situ ed ex-situ Raman
- Spettroscopio DRIFT
- FT-IR e ATR (anche in-situ)
- accesso a diffrattometro a raggi X (non presente in laboratorio)
- gas cromatografi (offline e online) e micro-GC
- GC-MS
- HPLC
- Centrifughe
- Mulino a palle
- Autoclavi di volume variabile (50-200mL)
- Impianti operanti in continuo in fase vapore
- Impianto per idrogenazione in flusso (H-cube mini pro)
Il Gruppo effettua consulenze per le esigenze industriali legate all'innovazione di processi esistenti e alla sostituzione con progetti a basso impatto ambientale. Supporta in inoltre le aziende nella caratterizzazione di materiali, in particolare per quanto riguarda le misure di porosità. A partire dal 2011, il gruppo di ricerca svolge attività in collaborazione con il CIRI MAM e FRAME (Tecnopoli di Bologna, Faenza e Ravenna).
Attività didattica e Formazione
Il laboratorio di sviluppo processi catalitici offre le proprie risorse, a supporto di:
- Esercitazioni di corsi triennali e magistrali nell'ambito dei fondamenti di chimica industriale e nell’ambito del corso di laurea magistrale LoCaTe
- Sviluppo di tesi di laurea (sia LT che LM)
- Sviluppo di progetti di ricerca di dottorandi e studenti post-dottorato (assegni di ricerca) o post-laurea (borse di studio)