Insegnamento MATERIALI INORGANICI: SINTESI, STRUTTURA E PROPRIETA'
- Corso
- Scienze chimiche
- Codice insegnamento
- A001115
- Curriculum
- Chimica inorganica per l'energia e la catalisi
- Docente
- Ferdinando Costantino
- Docenti
-
- Ferdinando Costantino
- Ore
- 59 ore - Ferdinando Costantino
- CFU
- 7
- Regolamento
- Coorte 2023
- Erogato
- 2023/24
- Attività
- Caratterizzante
- Ambito
- Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche
- Settore
- CHIM/03
- Tipo insegnamento
- Obbligatorio (Required)
- Tipo attività
- Attività formativa monodisciplinare
- Lingua insegnamento
- ITALIANO
- Contenuti
- Sintesi dei materiali: processi sol-gel e solvotermici, crescita di cristalli, formazione dei vetri, deposizione chimica da fase vapore, processo aerosol. Reattività: reazioni solido-solido, sinterizzazione, processi di intercalazione. Solidi a strati: argille, idrotalciti, fosfati e fosfonati dei metalli tetravalenti. Solidi micro-, meso- e macro-porosi. Compositi polimerici. Tecniche di caratterizzazione dei materiali: analisi termica, studi diffrattometrici, adsorbimento di gas, misure ottiche.
- Testi di riferimento
- A.R. West, "Solid State Chemistry and its applications", J. Wiley
U. Schubert, N. Hüsing, "Synthesis of Inorganic Materials", Wiley-VCH - Obiettivi formativi
- Principali conoscenze acquisite
- Caratteristiche principali dei processi sol-gel.
- Applicazione del processo sol-gel nella fabbricazione di materiali ibridi.
- Meccanismo di nucleazione e crescita dei cristalli.
- Sintesi e crescita dei cristalli mediante processi solvotermici.
- Processo di formazione dei vetri e principatipologie di vetro.
- Caratteristiche e impieghi dei processi di formazione dei solidi da fase vapore.
- Caratteristiche strutturali e reattività dei solidi a strati.
- Principali caratteristiche del processo di intercalazione nei solidi a strati.
- Caratteristiche strutturali e reattività dei solidi microporosi, mesoporosi e macroporosi.
- Principali caratteristiche dei materiali compositi: micro- e nano-compositi.
- Nozioni di base sulle tecniche per la caratterizzazione delle proprietà termiche, meccaniche ed elettriche dei materiali.
Principali abilità
- Previsione qualitativa della morfologia dei materiali ottenuti via sol-gel sulla base delle condizioni di sintesi.
- Previsione della morfologia di cristalli ottenuti da fasi liquide (soluzioni o fusi).
- Progettazione della sintesi di materiali ibridi mediante il processo sol-gel.
- Progettazione della sintesi di solidi cristallini in condizioni idrotermali.
- Impiego del trasporto in fase vapore per la purificazione dei materiali o la crescita di cristalli.
- Valutazione del tipo di reattore ai fini della formazione di solidi da fase vapore.
- Impiego di tecniche TGA e DSC per la caratterizzazione termochimica dei materiali
- Impiego di tests stress – strain per la caratterizzazione meccanica dei materiali.
- Valutazione qualitativa dei meccanismi di scambio ionico/intercalazione mediante diffrattometria a raggi X. - Prerequisiti
- Si richiede di aver conseguito una laurea triennale in Scienze Chimiche.
- Metodi didattici
- Il corso consiste in 35 ore di lezioni in aula. Per circa la metà degli argomenti trattati sono a disposizione dispense a cura del docente. Il corso prevede anche 24 ore di esercitazioni in laboratorio, incentrate sulla sintesi di composti crsitallini porosi e nanocompositi a base di fillers inorganici e sulla loro caratterizzazione mediante diffrazione a raggi X, TGA e assorbimento di gas.
- Altre informazioni
- Aula: biblioteca del Laboratorio di Chimica dei Materiali, Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie (edificio B).
- Modalità di verifica dell'apprendimento
- Il corso prevede un esame orale che consiste in una discussione di circa trenta minuti di alcuni degli argomenti trattati nel corso (formazione di solidi da fase gas, da soluzioni e da fusi, reattività dei solidi, solidi lamellari, solidi micro-, meso- e macro-porosi, tecniche di caratterizzazione dei materiali). Il primo argomento della discussione è scelto dallo studente. La prova ha lo scopo di valutare sia la conoscenza degli argomenti del programma, sia la capacità di esposizione e di elaborazione delle conoscenze acquisite.
Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa - Programma esteso
- Definizione di materiale.
FORMAZIONE DI SOLIDI DA FASI LIQUIDE
Processi sol-gel. Definizione di sol, di gel e di processo sol-gel. Xerogels e aerogels. Fattori sterici ed elettrostatici che influenzano la stabilità di un sol. Reazioni sol-gel degli alcossi silani: idrolisi e condensazione catalizzate da acidi e basi. Invecchiamento ed essiccamento dei gels: super crytical drying.
Processo sol-gel per la sintesi degli ossidi metallici. Precursori inorganici: reazioni di olazione ed ossolazione. Precursori alcossidi: reattività in funzione delle dimensioni e dell'elettronegatività del metallo e del grado di oligomerizzazione dell’alcossido.
Materiali ibridi inorgano-organici. Materiali ottenuti per intrappolamento di molecole organiche in un gel. Materiali ottenuti per funzionalizzazione di un gel con molecole organiche legate covalentemente. Polimeri ibridi inorgano-organici.
Vetri. Definizione di vetro. Fattori che influenzano la formazione di un vetro. Formazione di vetri e cristallizzazione: velocità di nucleazione e crescita dei cristalli in funzione della temperatura; curve TTT. Caratteristiche della silice vetrosa; vetri a base di silicati e di borati; vetri commerciali: pyrex e vycor; vetri a base di calcogeni; vetri ceramici; vetri metallici.
Precipitazione. Caratteristiche del precipitato in relazione alla velocità di formazione dei nuclei e alla velocità di crescita dei cristalli. Formazione di precipitati per idrolisi forzata e per decomposizione di complessi di ioni metallici. Precipitazione controllata a doppio getto. Processi solvotermici; sintesi idrotermali, crescita idrotermale di cristalli singoli.
FORMAZIONE DI SOLIDI DA GAS
Trasporto in fase vapore e sue applicazioni.
Deposizione chimica da fase vapore (CVD): definizione, generalità e applicazioni. Velocità di crescita dei films. Reattori a pareti calde e fredde. CVD per la deposizione di alluminio, silice e diamante. Tecniche di tipo CVD: plasma enhanced CVD, laser assisted CVD, atomic layer deposition. Processi non-CVD: deposizione fisica da fase vapore (PVD), molecular beam epitaxy.
Generalità dei processi aerosol. Coversione gas-particella, morfologia delle particelle e degli aggregati, processo Aerosil. Coversione particella-particella, morfologia delle particelle. Tipi di reattori per il processo aerosol: fiamma, fornace, laser, plasma. Formazione di films mediante il processo aerosol.
REATTIVITÀ DEI SOLIDI
Reazioni solido-solido controllate dalla diffusione dei reagenti; reazioni solido-solido controllate dalla formazione dei nuclei. Processi di sinterizzazione.
Reazioni di intercalazione. Intercalazione nei materiali a strati. Tipi di intercalazione: diretta, elettrointercalazione, intercalazione di polimeri, pillaring di composti a strati. Intercalazione diretta: basi di Lewis nel fosfato di zirconio, alogeni e metalli nella grafite, metalli alcalini nei disolfuri dei metalli di transizione. Grafene e nano tubi di carbonio. Elettrointercalazione: intercalazione - deintercalazione di Li nelle batterie al litio. Intercalazione di polimeri ed oligomeri.
Pillaring di composti a strati: intercalazione dello ione Keggin; composti pillared derivanti dalla funzionalizzazione degli strati del fosfato di zirconio; uso di composti pillared nella catalisi selettiva di forma.
ESEMPI DI CLASSI DI MATERIALI INORGANICI
Classificazione dei silicati. Alluminosilicati a strati: caratteristiche strutturali, sostituzione isomorfa di Si(IV) con Al(III) e di Al(III) con Mg(II) e di Mg(II) con Li(I). Argille: rigonfiamento ed esfoliazione. Argille anioniche.
Allumino silicati tridimensionali: feldspati e zeoliti. Caratteristiche strutturali delle zeoliti, proprietà di scambio ionico e catalitiche in relazione al rapporto Si/Al; impiego delle zeoliti nella catalisi selettiva di forma.
Solidi micro-porosi, meso-porosi e macro-porosi.
Materiali compositi: micro- e nano-compositi. Interazioni filler-matrice. Approcci sintetici per la preparazione di nano compositi polimerici.
TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE CHIMICO FISICA
Analisi termica: termogravimetria, analisi termica differenziale, calorimetria differenziale a scansione.
Test meccanici di tipo sforzo- deformazione: comportamento elastico, viscoso e viscoelastico. Modulo elastico, sforzo di snervamento, sforzo di rottura. Meccanismi di deformazione dei polimeri amorfi.
Determinazione dell’area superficiale dei solidi mediante adsorbimento di gas. Isoterma di Langmuir. Modello BET e isoterme BET. Tipi di isoterme di adsorbimento. Isteresi e condensazione capillare.
Tecniche per la misura della conducibilità elettrica. Misure a due e quattro elettrodi. Misure in corrente continua e in corrente alternata. Impedenza e spettroscopia di impedenza. Applicazione della spettroscopia di impedenza allo studio dei sistemi policristallini.