NUOVI MATERIALI PER ENERGIA E AMBIENTE: OSSIDI NANOSTRUTTURATI E FILM DI CARBONIO. Laboratorio di calcolo di chimica quantistica

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1 NUOVI MATERIALI PER ENERGIA E AMBIENTE: OSSIDI NANOSTRUTTURATI E FILM DI CARBONIO Laboratorio di calcolo di chimica quantistica CRISTIANA DI VALENTIN LIVIA GIORDANO GIANFRANCO PACCHION

2 .Wang C.Di Valentin L.Ferraro L.Giordano S.Prada M.Rosa F.Gallino G.Preda G.Capano G.Pacchion

3 CALCOLI A PRINCIPI PRIMI PER: 1) IDENTIFICARE LA STRUTTURA DEI MATERIALI 2) DETERMINARE LE LORO PROPRIETÀ ELETTRONICHE 3) DETERMINARE LE LORO PROPRIETÀ SPETTROSCOPICHE 4) INVESTIGARE LA REATTIVITÀ CHIMICA DI SUPERFICIE

4 SIMULAZIONI QUANTISTICHE DI OSSIDI PER APPLICAZIONI IN FOTOCATALISI E NANOCATALISI 1 LINEA Modellizzazione di proprietà elettroniche di ossidi semiconduttori (TiO 2, ZnO, WO 3, CeO 2, ecc.) di enorme importanza applicativa nel campo dei materiali fotoattivi, elettrocromici, e delle celle a combustibile CRYSTAL09 GAUSSIAN09 2 LINEA Studio di interfacce tra metalli e film ultrasottili di ossidi (di pochi strati atomici di spessore) di importanza applicativa in quanto presenti in numerosi dispositivi elettronici e chimici di nuova generazione (memorie, transistori, nanocatalizzatori, t i sensori). VASP

5 FOTOCHIMICA E FOTOCATALISI DEL BIOSSIDO DI TITANIO TiO 2 coating: anti-fogging TiO 2 coating: self-cleaning glass and materials TiO 2 coating: anti-bactirial anti-virial fungicidal TiO 2 coating: deodorizing air-purification water splitting Hybrid solar cells

6 FONDAMENTI DI FOTOCATALISI BAND-GAP PHOTOEXCITATION ELECTRON-HOLE RECOMBINATION MIGRATION TO SURFACE CHARGE CARRIER TRAPPING CHARGE TRANSFER

7 COME SFRUTTARE AL MEGLIO LA LUCE SOLARE? visible UV rutilo E g 3.0 ev anatasio E g 3.2 ev Solo piccola frazione di luce solare assorbita

8 ESEMPI Nitrogen-doped TiO 2 WO 2.97

9 STUDIO DELLA REATTIVITÀ FOTOINDOTTA

10 NANOCATALISI DI OSSIDI NANOSTRUTTURATI E METALLI SUPPORTATI Metalli supportati su ossidi: rilevanti in catalisi industriale e ambientale Diffusion from gas phase N 2 NO Product desorption Dissociative CO Surface adsorption CO diffusion 2 reaction Molecular adsorption Noble metal Adsorbed product Un esempio concreto: la marmitta catalitica a tre vie converte CO a CO 2, C nh 2n+2 a CO 2 2, NO x a N 2 Support

11 La catalisi: un problema complesso Per comprenderla occorre passare dai sistemi reali a sistemi modello in cui pochi parametri possono essere variati in modo controllato Parametri da controllare: natura del supporto, dimensione e forma delle particelle, composizione chimica, trasferimenti di carica, interazione con difetti del substrato, stabilità, ecc.

12 IL RUOLO DELLA SCIENZA DELLE SUPERFICI Premio Nobel in Chimica 2007 Gerhard Ertl has succeeded in providing a detailed description of how chemical reactions take place on surfaces and has in this way laid the foundation of modern surface chemistry. Fritz-Haber-Institut der Max-Planck- Gesellschaft Berlin

13 IL NOSTRO RUOLO: COMPRENDERE I FENOMENI FONDAMENTALI, PROGETTARE NUOVI MATERIALI Il ruolo della teoria: fornire supporto teorico all esperimento, interpretando dati e suggerendo nuovi esperimenti 0 (C 2H 2)(C2H 2) CH Energies in ev # Esempio: profilo F 5c di reazione di trimerizzazione di 4 4 CH (C H )(C H ) (C H )(C H ) # acetilene a dare benzene catalizzatata da un atomo di Pd supportato su ossido di magnesio (esperimenti: Heiz. TU Munich)

14 ALTRI ESEMPI PARTICELLE METALLICHE SUPPORTATE SU OSSIDI O FILM SOTTILI DI OSSIDI RILEVANTI IN NANOSTRUTTURE, SENSORI, PROPRIETA OTTICHE E MAGNETICHE

15 NANOPARTICELLE DI ORO SU MgO MgO(100) Au 20 tridimensionale MgO/Mo(100) bidimensionale Calcoli modello mostrano che un cluster Au 20 depositato su MgO bulk forma strutture tridimensionali, mentre se depositato su film sottili forma strutture piatte bidimensionali Scoperta rilevante per la progettazione di nanostrutture poi confermata sperimentalmente (Freund, MPG Berlino)

16 3 NUOVA LINEA DI RICERCA ATERIALI A BASE DI FILM DI Carbonio PER CATALISI E CHIMICA VERDE GRAPHENE MATERIALE 2D 1STRATO PROPRIETÀ ECCEZIONALI: MOBILITÀ DI CARICA CONDUCIBILITÀTERMICA TERMICA FORZA MECCANICA BUILDING BLOCK DELLA TECNOLOGIA A BASE DI C MA CHIMICAMENTE INERTE!!!! CHEMICAL MODIFIED GRAPHENE TAILORED CURVATURE C-FILMS

17 CHEMICALLY MODIFIED GRAPHENE AS CHEAP AND METAL FREE CATALYTIC ELECTRODE FOR REDOX PROCESSES (e.g. ORR) HAPPENING IN FUEL CELLS, BATTERIES AND SOLAR CELLS TAILORED CURVATURE C-FILMS AS AN UNEXPLORED FIELD TOWARDS TOTALLY NEW PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES IN 3D NANOCOMPOSITE SYSTEMS AS NANOCOMPOSITE SYSTEMS AS NOVEL PLATFORMS FOR ADVANCED FUNCTIONALITIES

18 STRUMENTI : Software per il calcolo quantistico e sistemi di calcolo ad alte prestazioni (in lab o centri nazionali e internazionali) COLLABORAZIONI: Università di Padova, Torino, Milano, Modena, CNR Trieste, Genova Max-Planck Institute di Berlino, Princeton University, Ecole de Paris, Bochum University, Università di Barcelona ecc