Scienza e Tecnologia della Catalisi

“CORSO DI LAUREA”
CHIMICA INDUSTRIALE
“Disciplina”
Scienza e Tecnologia della Catalisi (6 CFU, I anno Magistrale, I Semestre)
“ANNO ACCADEMICO”
2015/2016
Docente: Dr.ssa Daniela Pietrogiacomi, Dipartimento di Chimica, piano II, stanza 2, tel. 06-49913304
e-mail [email protected]
Studenti target: : I anno Magistrale
Livello dell’Unità: di base e applicativo
Pre-requisiti: Chimica Inorganica, Chimica Fisica
CFU: 6
Programma
Principi generali della catalisi eterogenea. Passi di una reazione catalitica: adsorbimento, reazione di
superficie, desorbimento. Flusso di gas (teoria cinetica). Atomi per unità di superficie, atomi di bulk.
Sticking probability. Fattore sterico, Copertura. Fattore esponenziale. Velocità di adsorbimento e
desorbimento. Calore di adsorbimento. Isoterme di adsorbimento (Langmuir, Freundlich, Temkin).
Adsorbimento fisico e chimico. Eterogeneità superficiale. Meccanismi di reazione (LangmuirHinshelwood e Eley-Rideal). Passi elementari di una reazione catalitica. Centri attivi e Rate Determining
Step. (12 ore di lezione frontale)
Esempi di reazioni catalizzate. Attività catalitica e selettività. Decomposizione acido formico (Principio
di Sabatier). Idrogenazione di alcheni con deuterio (Meccanismo di Horiuty-Polanyi). Network della
reazione di idrogenazione di alchini. Fattori cinetici e termodinamici che determinano la selettività.
Correlazione struttura elettronica-attività catalitica. Decomposizione di N2O su ossidi: correlazione
attività-proprietà di semi-conduzione, ruolo del sito isolato, ruolo della matrice.
(12 ore di lezione frontale)
Preparazione di catalizzatori. Principali supporti e relativi metodi di preparazione: precipitazione, coprecipitazione, sol-gel. Catalizzatori supportati e relativi metodi di preparazione: confronto tra
impregnazione (dry e wet) e equilibrium adsorption. Preparazione catalizzatori CoOx/ZrO2. Cenni sulle
soluzioni solide di ioni di metalli di transizione. Zeoliti: metodo dello scambio ionico e della deposizione
chimica di vapori (CVD, chemical vapour deposition). (8 ore di lezione frontale)
Caratterizzazione dei catalizzatori. Area superficiale e porosimetria. Proprietà acido base dei siti di
superficie. Caratterizzazione spettroscopica di superficie mediante FTIR con molecole spia.
Caratterizzazione di zeoliti: struttura e reattività di superficie di matrici e campioni scambiati con ioni di
metalli di transizione. (8 ore di lezione frontale)
Catalisi ambientale. Inquinamento atmosferico da NOx, CO, idrocarburi incombusti, protossido di
azoto. Abbattimento di N2O. Abbattimento di NOx: marmitta catalitica e reazione SCR con ammoniaca
su VOx/TiO2 o con idrocarburi zeoliti scambiate con metalli di transizione. Problema della selettività.
Cenni su impianti DeNOX: componenti, funzionamento ed aspetti di sicurezza. Catalizzatori installati in
centrali termoelettriche: rendimento di rimozione e piano di gestione. (8 ore di lezione frontale)
Libri di testo consigliati
Dispense fornite dal docente.
Copia delle diapositive proiettate a lezione.
(English)
Program
General aspects of heterogeneous catalysis. Steps of a catalytic reaction: chemisorption, surface
reactions, desorption. Gas flow (kinetic theory). Atoms per surface unit, concentration of atoms in the
bulk. Sticking probability, S. Steric factor. Coverage. Exponential factor. Rates of adsorption and
desorption. Adsorption heat. Adsorption isotherms (Langmuir, Freundlich, Temkin). Criteria to
distinguish the physical adsorption from chemisorption. Surface heterogeneity. Active centers. Reaction
mechanisms (Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal). Elementary steps of a catalytic reaction.
(12 lecture hours)
Examples of catalytic reactions. Catalytic activity and selectivity. Acid formic decomposition (Sabatier
principle). Alkenes hydrogenation with deuterium (Horiuty-Polanyi mechanism). Reaction network of
acetylene hydrogenation. Kinetic and thermodynamic factors affecting the selectivity. Correlations
between the electronic structure and catalytic activity.
(12 lecture hours)
Catalyst preparation. Supported catalysts. Main supports (alumina, silica, carbon, titania, zirconia).
Impregnation method. Equilibrium adsorption method. Isoelectric point. Catalysts prepared by means of
chemical vapor deposition (CVD). Solid solutions of transition metal ions. Zeolites in heterogeneous
catalysis. Ionic exchange.
(8 lecture hours)
Catalyst characterization. Surface area and porosimetry. Acid-base properties of surface sites.
Spectroscopic characterization of catalyst surfaces by FTIR of probe molecules.
(10 lecture hours)
Environmental catalysis. Air pollution. NOx, CO, unburnt hydrocarbons, nitrous oxide. NO abatement
with ammonia in the presence of oxygen on catalysts VOx/TiO2. DeNOX plants: components, operation
and safety aspects. Catalysts in steam power plants: efficiency and catalyst management. Catalytic
converter (three-way catalyst, TWC). NO and N2O decomposition. NOx abatement with hydrocarbons on
zeolites.
(12 lecture hours)