PRESENTAZIONE

L’elettrochimica è una scienza con forte componente interdisciplinare ed ha intensamente contribuito alla nostra evoluzione scientifica e tecnologica, i recenti sviluppi in termini di nuovi materiali, energia e di sostenibilità ambientale stanno ancor di più mostrando il ruolo decisivo di questa disciplina.

Il Corso di “Electrochemical materials and technologies” si articola su lezioni frontali e di laboratorio allo scopo di introdurre l’allievo/a ai principi fondamentali che regolano i processi elettrochimici. Il corso cura, inoltre, l’applicazione di questi concetti per la i) produzione di chemicals, ii) conversione energetica, iii) realizzazione di materiali elettrocatalitici, iv) corrosione e protezione dei manufatti metallici e v) protezione ambientale, così da fornire un taglio ingegneristico della disciplina e gli strumenti per affrontarla.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Fornire una cultura elettrochimica di base e applicata essenziale per descrivere il comportamento dei materiali e dei sistemi elettrochimici utilizzati in campo energetico, ambientale e di processo (batterie, celle a combustibile e elettrolisi).

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

La frequenza e la partecipazione attiva alle attività formative proposte (lezioni frontali ed esperienze pratiche di laboratorio) e lo studio individuale permetteranno allo studente di:

- acquisire una cultura sull’elettrochimica di base e/o applicata,

- analizzare la cinetica e la termodinamica di una reazione elettrochimica,

- scegliere ed ottimizzare i materiali che prendono parte al processo elettrodico,

- effettuare un dimensionamento di massima di un reattore elettrochimico operante in regime galvanostatico o potenziostatico,

- Risolvere esercizi numerici riguardanti le prestazioni dei reattori elettrochimici e valutare i consumi energetici,

- fornire esempi di applicazione industriali dei processi elettrochimici industriali,

- Comprendere e discutere criticamente e con il lessico appropriato, i dati ottenuti durante le esperienze di laboratorio.

PREREQUISITI

Per un proficuo apprendimento sono richieste conoscenze base di matematica, chimica e fisica, ma non è prevista alcuna propedeuticità formale.

MODALITA' DIDATTICHE

Il corso prevede lezioni frontali in aula (40 ore) e esperienze di laboratorio (10 ore). Le lezioni frontali comprendono la presentazione di contenuti teorici ed esercitazioni numeriche finalizzate a favorire l’apprendimento e la discussione di specifici esempi di applicazioni di processi elettrochimici

Le competenze trasversali in termini di autonomia di giudizio verranno acquisite tramite l'esecuzione di esperienze pratiche di laboratorio da svolgere in gruppo e con la stesura di una relazione di laboratorio da presentare e discutere in sede di esame.

PROGRAMMA/CONTENUTO

- Fondamenti chimici-fisici e ingegneristici dell’elettrochimica (doppio strato elettrico, distribuzione dei potenziali all’interfase elettrodo/elettrolita, conduzione ionica ed elettronica, configurazione delle celle elettrochimiche)

- Reazioni elettrochimiche (omogenee, eterogenee, tipici esempi di reazioni anodiche e catodiche, influenza dell’adsorbimento, diagrammi di volcano, agenti complessanti e influenza del pH)

- Componenti delle celle elettrochimiche:

            i) materiali anodici-catodici (metallici, ceramici, cermet, compositi, DSA),

            ii) elettroliti (solidi ceramici e polimerici, liquidi),

            iii) separatori e membrane,

            iv) interconnettori e interconnessioni (monopolari e bipolari).

- Termodinamica, cinetica ed elettrocatalisi dei processi elettrochimici (primo principio, sovratensioni, legge di Butler-Volmer, correnti di scambio, analoghi elettrici),

- Reazioni elettrochimiche in controllo cinetico, misto e di trasporto (prima e seconda legge di Fick, nenst diffusion layer, legge di Cottrel)

- Fondamenti di elettrolisi (Legge di Faraday, Tensione di cella e consumi energetici, Rendimento di corrente)

- Fenomeni di trasporto (numeri dimensionali e loro correlazioni, Misurazione del coefficiente di trasporto di massa)

- Reattori elettrochimici e loro prestazioni (Reattore batch, Reattore CSTR single pass, Reattore PFR single pass, Reattore CSTR con riciclo, Reattore PFR con riciclo)

- Disegno di reattori elettrochimici (Materiali Elettrodici, Costo della cella, Tipi di Reattori)

- Applicazioni delle tecnologie elettrochimiche (industria cloro soda, elettrometallurgia, raffinazione elettrolitica dei metalli)

- Esperienze di laboratorio: voltammetria ciclica, fuel cell, ossidazione elettrochimica di composti organici

lica, elettrodo rotante, fuel cell, ossidazione elettrochimica di composti organici

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Il materiale didattico utilizzato durante le lezioni sarà disponibile in aulaweb dell’insegnamento, così come gli esempi di test finale proposti negli anni precedenti con le relative soluzioni. Gli appunti presi durante le lezioni e il materiale in aulaweb sono sufficienti per la preparazione dell’esame, ma i libri seguenti sono suggeriti come testi di appoggio e approfondimento.

- F. Walsh: A first course in Electrochemical Engineering. ECC edition

- D. Pletcher: A first course in electrode Process, ECC editions

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

ANTONIO BARBUCCI (Presidente)

MARCO PANIZZA (Presidente)

LEZIONI

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

La prova finale del modulo consiste nel superamento di un test scritto per l’ammissione al colloquio orale. Gli studenti trovano in aulaweb dell’insegnamento esempi di test proposti negli anni precedenti con le relative soluzioni e alcuni dei quali sono svolti in dettaglio a lezione. 

In sede di esame scritto verrà anche valutata (fino a 5 punti) la relazione delle esperienze di laboratorio. La relazione deve essere consegnata via e-mail al docente almeno 3 giorni prima della data della prova scritta.

La prova scritta decade al termine della sessione d’esame (a settembre per la sessione estiva e a marzo per la sessione invernale), può essere ripetuta, ma in tal caso vale il voto dell’ultimo scritto consegnato.

Per accedere alla prova orale gli studenti dovranno aver superato la prova scritta con un voto minimo di 16/30 e il voto conseguito nel presente modulo sarà la media tra prova scritta e orale.

Saranno disponibili 3 appelli di esame per la sessione ‘invernale’ (gennaio, febbraio e durante la pausa didattica prevista dalla Scuola Politenica a Pasqua) e 3 appelli per la sessione ‘estiva’ (giugno, luglio, settembre e durante la pausa autunnale prevista dalla Scuola Politecnica). Non verranno concessi appelli straordinari al di fuori dei periodi indicati dalla Scuola Politecnica, fatta eccezione per gli studenti che non abbiano inserito nel piano di studi attività formative nell’anno accademico in corso.

I risultati degli esami saranno pubblicati sul sito aulaweb del corso.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

L’esame scritto consiste nel dimensionamento o nella valutazione delle prestazioni di un impianto elettrochimico ed una domanda teorica sulle applicazioni industriali dei processi elettrochimici. Durante la prova orale lo studente dovrà rispondere a domande riguardanti i materiali e i tipici componenti delle celle elettrochimiche, la cinetica elettrodica e i fenomeni di trasporto con riferimento ad applicazioni industriali di batterie, fuel cell o celle di elettrolisi. All’orale verranno valutate e discusse le relazioni sulle esercitazioni svolte in laboratorio.

Le competenze trasversali in termini di abilità comunicative, capacità di lavorare in team e capacità di apprendimento verranno acquisite tramite l'esecuzione di esercitazioni di laboratorio da svolgere in gruppo e discutere all’esame.