Il corso presuppone il possesso delle conoscenze e delle competenze acquisite negli insegnamenti di Chimica Fisica I e Chimica Fisica II.

L'insegnamento fornisce gli strumenti teorici e sperimentali della Chimica Fisica per la caratterizzazione di materiali e lo studio di processi di interesse per la sostenibilità ambientale ed energetica.

Il corso approfondisce i principi dell'interazione tra radiazione elettromagnetica e materia e il loro impiego nelle principali tecniche spettroscopiche, i fenomeni interfacciali che governano il comportamento delle superfici, i principi della catalisi e il ruolo dei materiali funzionali nei processi di conversione sostenibile dell'energia. Le attività di laboratorio consentono allo studente di acquisire competenze sperimentali nella caratterizzazione di materiali e nell'interpretazione quantitativa dei dati sperimentali.

Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di:

• comprendere i principi fisici che regolano l'interazione tra radiazione elettromagnetica e materia;
• interpretare criticamente le informazioni ottenibili mediante le principali tecniche spettroscopiche;
• comprendere il ruolo delle superfici e delle interfacce nelle proprietà dei materiali funzionali;
• descrivere i principi base della catalisi omogenea, eterogenea ed enzimatica;
• interpretare dati sperimentali mediante opportuni modelli chimico-fisici;
• correlare struttura, proprietà e prestazioni dei materiali destinati ad applicazioni ambientali ed energetiche;
• comprendere i principi alla base delle tecnologie per la produzione sostenibile di idrogeno e la valorizzazione della CO₂.

Lezioni frontali, esercitazioni dedicate all'interpretazione di dati sperimentali, discussione di casi studio tratti dalla letteratura scientifica e attività di laboratorio svolte in piccoli gruppi.

La verifica dell'apprendimento consiste in una prova orale finalizzata ad accertare la comprensione dei principi teorici, la capacità di interpretare criticamente dati sperimentali e di correlare le proprietà chimico-fisiche dei materiali alle loro prestazioni nelle principali applicazioni per la sostenibilità.

Le attività di laboratorio saranno valutate attraverso relazioni individuali e la discussione critica delle esperienze svolte.

Interazione radiazione–materia e spettroscopie molecolari 

Radiazione elettromagnetica e proprietà del fotone. Interazione tra radiazione e materia. Processi di assorbimento, emissione e scattering. Momento di dipolo di transizione, probabilità di transizione e intensità delle bande. Regole di selezione elettroniche e vibrazionali.

Fotofisica degli stati eccitati. Diagramma di Jablonski. Conversione interna, crossing intersistema, fluorescenza e fosforescenza. Resa quantica, tempi di vita degli stati eccitati, processi di quenching statico e dinamico ed equazione di Stern-Volmer.

Principi e applicazioni delle spettroscopie UV-Vis, FT-IR e Raman.

Interfacce, superfici e fenomeni di adsorbimento 

Energia libera superficiale, tensione superficiale, bagnabilità e fenomeni interfacciali. Interazioni tra superfici e specie adsorbite.

Adsorbimento fisico e chimico. Modelli di Langmuir e Freundlich e loro significato fisico. Cenni alla teoria BET e all'area superficiale specifica.

Ruolo delle superfici nei processi di separazione, nella catalisi eterogenea e nello sviluppo di materiali funzionali per applicazioni ambientali ed energetiche.

Catalisi e trasformazioni chimiche 

Principi della catalisi e interpretazione dei profili energetici delle reazioni catalizzate. Catalisi omogenea, eterogenea ed enzimatica. Modello di Michaelis-Menten e significato dei principali parametri cinetici. Introduzione ai processi fotochimici, fotocatalitici,

elettrocatalitici e piezocatalitici. Relazione tra proprietà dei materiali, attività catalitica e prestazioni.

Materiali e processi per la conversione sostenibile dell'energia 

Principi della conversione dell'energia mediante materiali funzionali. Produzione di idrogeno mediante processi elettrochimici, fotoelettrochimici e fotocatalitici. Riduzione e valorizzazione della CO₂ verso combustibili e prodotti chimici a valore aggiunto. Proprietà dei semiconduttori per applicazioni fotoelettrochimiche. Criteri di progettazione e caratterizzazione di materiali per la conversione dell'energia. Integrazione delle informazioni ottenute mediante tecniche spettroscopiche, studio delle proprietà superficiali e valutazione dell'attività catalitica.

Attività di laboratorio 

L'attività di laboratorio è finalizzata all'acquisizione delle competenze sperimentali necessarie per la caratterizzazione chimico-fisica di materiali e per lo studio quantitativo di processi di interesse per la sostenibilità.

• Atkins P., de Paula J., Physical Chemistry, Oxford University Press.
• Hollas J.M., Modern Spectroscopy, Wiley.
• Lakowicz J.R., Principles of Fluorescence Spectroscopy, Springer (capitoli selezionati).
• Rouquerol F., Rouquerol J., Sing K.S.W., Llewellyn P., Maurin G., Adsorption by Powders and Porous Solids, Academic Press.
• Dispense, articoli scientifici e materiale didattico forniti dal docente.