ELETTROCHIMICA INORGANICA
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2015/2016
- Docente
- STEFANO CARAMORI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- CHIM/03
Obiettivi formativi
- Conoscenze: comprendere la struttura delle interfacce, fondamenti di cinetica e termodinamica elettrochimica, proprietà elettroniche dei materiali conduttori e semiconduttori, modelli microscopici per il trasferimento elettronico eterogeneo tra specie molecolari e solidi estesi. Comprendere le caratteristiche corrente/tensione di interfacce semiconduttore elettrolita sulla base di modelli basati sullo spazio di carica e sul trasporto diffusivo dei portatori di carica.
Abilità: Essere in grado di prevedere il potenziale di una cella galvanica e le variabili chimiche che determinano il potenziale. Proporre un modello cinetico per una reazione elettrodica complessa ed ottenere criteri di verifica del meccanismo proposto nell'ambito di approssimazioni ragionevoli.
Manipolare le grandezze termodinamiche di interesse nella descrizione di di interfacce semiconduttore/elettrolita e sapere descrivere l'architettura e proporre l'utilizzo di semplici celle fotoelettrochimiche per condurre processi di conversione energetica.
Prerequisiti
- Fondamenti di elettrostatica (Teorema di Gauss, Equazione di Poisson)
Elementi di termodinamica e di cinetica chimica. Contenuti del corso
- Il corso è suddiviso in 3 blocchi principali: 1)Termodinamica e struttura dell'interfaccia elettrificata (ca. 20 ore): termodinamica delle celle elettrochimiche. Potenziale Volta e dipolare. Potenziale Galvani. Il concetto di potenziale elettrochimico nella descrizione di interfasi elettrificate. Applicazioni in celle basate su equilibri omogenei ed eterogenei. Potenziale di giunto liquido e loro minimizzazione. Potenziali di membrana e loro rilevanza in elettrodi selettivi. L'esempio dell'elettrodo a vetro.
La struttura dell'interfaccia elettrificata. Equazione di Gibbs Duhem per le interfacce. Equazione di Lippmann. Curva elettrocapillare. Modello di Helmholtz -Perrin dello strato compatto. Previsioni e confronto con i dati sperimentali. Modello di Gouy Chapman e sua modifica secondo Stern e Grahame. Struttura dell'interfaccia nella regione di capacità costante e in presenza di adsorbimento per contatto. Piano interno di Helmholtz.
2) Cinetica elettrochimica (ca. 16 ore). Equazione di Butler-Volmer. Teorie microscopiche del trasferimento elettronico. Equazione di Marcus-Gerischer. Alcuni aspetti ondulatori del trasferimento di carica eterogeneo.
Reazioni elettrochimiche multi-stadio in presenza di intermedi adsorbiti. Ipotesi di stato stazionario. Stadi di equilibrio e cineticamente determinate. Criteri diagnostici per il meccanismo di una reazione elettrodica. Pendenza di Tafel, ordine di reazione. Applicazioni a reazioni elettrodiche significative: sviluppo di idrogeno, di cloro, di ossigeno, dissoluzione anodica del ferro. Elettrocatalisi.
3) Elettrochimica e fotoelettrochimica dei semiconduttori (ca. 12 ore). Semiconduttori n e p. Formazione di spazio di carica all'interfaccia semiconduttore/elettrolita. Conseguenze sulle caratteristiche J-V al buio e sotto illuminazione. Equazione di Mott-Schottky. Generazione trasporto e ricombinazione di portatori di carica sotto illuminazione. Lunghezza di diffusione. Cinetiche di trasferimento di carica in presenza di spazio di carica. Modello di Gartner e casi limite.
Elettrodi semiconduttori nanostrutturati. Capacità chimica. Semplici modelli elettrici per elettrodi porosi in presenza di generazione trasporto e ricombinazione di carica. Aspetti tecnologici di processi elettrochimici e fotoelettrochimici per la conversione energetica e la rimediazione ambientale.
Metodi didattici
- 48 ore di lezioni frontali in aula. Per la maggior parte alla lavagna coadiuvate dalla proiezioni di lucidi esplicativi o di correlazioni e risultati sperimentali.
Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame orale dovrà consentire di verificare le conoscenze dello studente sulla struttura dell'interfaccia elettrochimica, i fondamenti delle teorie cinetiche in elettrochimica e le proprietà delle interfacce semiconduttore elettrolita. Lo studente dovrà essere in grado di possedere le seguenti abilità: sapere utilizzare le relazioni tra variabili elettriche e grandezze termodinamiche per calcolare il potenziale di cella e di membrana. Sapere utilizzare equazioni cinetiche basate sull'approssimazione di alto campo per descrivere reazioni elettrochimiche a più stadi e dedurre criteri diagnostici di meccanismo. Lo studente dovrà essere in grado di descrivere la caratteristica corrente tensione in presenza di barriere Schottky e descrivere l'architettura e il funzionamento di celle fotoelettrochimiche per la conversione dell'energia solare.
Lo studente potrà iniziare la discussione dell'esame orale da un argomento di sua preferenza. Testi di riferimento
- J.O'M. Bockris A. Reddy "Modern Electrochemistry"
N. Sato "Electrochemistry at Metal and Semiconductor Electrodes"
A.J. Bard, L. Faulkner "Electrochemical Methods, Fundamentals and Applications"
Gileadi, "Electrochemical Kinetics for Chemists, Engineers and Material Scientists"
I lucidi sono disponibili per gli studenti.
