a. Finalità e Obiettivi
Nell'ambito della Chimica Verde e Processi Sostenibili si intende mettere a sistema le conoscenze sviluppate per investire in ricerca ed innovazione sostenibile rispondendo alla richiesta pressante di offrire soluzioni per l’innovazione di prodotto e di processo nell’industria chimica e lo sviluppo di nuove fonti energetiche alternative ai combustibili fossili. L’attuale sfida ambientale che coinvolge tutti i settori produttivi e in particolare l’industria chimica è una straordinaria occasione per ripensare la società e l’economia in chiave “green”, per spingere sul terreno avanzato dell’innovazione e della sostenibilità le nostre imprese, per renderle più competitive e resilienti. Recentemente, la Commissione Europea ha approvato una serie di misure per facilitare la transizione verso “un’economia circolare”: un modello che prevede il massiccio utilizzo delle fonti rinnovabili (elemento centrale della sostenibilità). L’economia verde abbraccia diversi settori dell’economia nazionale, da quelli più tradizionali a quelli “high tech”, dall’agroalimentare all’edilizia, dalla manifattura alla chimica, dall’energia ai rifiuti e coinvolge migliaia di piccole e medie imprese che hanno colto l’opportunità di questa nuova prospettiva di sviluppo. Diventa quindi necessario investire in ricerca ed innovazione sostenibile al fine di offrire soluzioni per l’innovazione di prodotto e di processo nell’industria chimica. Si richiede, quindi, la realizzazione di componenti e condizioni (es.: catalizzatori nanostrutturati versatili di nuova concezione).
I principali obiettivi del progetto tengono conto dello sviluppo di nuove strategie applicate alla sintesi e alla catalisi per la produzione di prodotti della chimica fine ottenibili con processi che siano al tempo stesso altamente selettivi efficienti e a basso impatto ambientale e di energia da risorse rinnovabili.
Punti cardine di valenza tecnologica e scientifica con cui declinare il raggiungimento di tali obiettivi saranno la ricerca di catalizzatori innovativi, anche di tipo enzimatico, che siano efficienti, ma anche resistenti all’avvelenamento da prodotti secondari, duraturi e resistenti a leaching, sinterizzazione ed evaporazione che, disperdendo e degradando il catalizzatore, ne limitano drasticamente la durata e la possibilità di reimpiego. Le sfide aperte che i ricercatori del Dipartimento di Scienze Chimiche e Tecnologie dei Materiali dovranno affrontare in questi ambiti riguarderanno anche la riduzione foto-‐ed elettrochimica del biossido di carbonio a molecole riutilizzabili, in primis il metanolo, la produzione sostenibile di idrogeno tramite processi microbici di digestione di biomasse e/o sviluppo di catalizzatori che producono idrogeno usando energia solare per splitting fotolitico dell’acqua (WGS), per reforming efficiente di materie prime seconde (bioetanolo, bioglicerolo etc.) e per elettrolisi foto/catalizzata di soluzioni di (bio)alcoli o sostanze zuccherine. Lo studio e la realizzazione di nuovi materiali per l’immagazzinamento efficiente di idrogeno rappresenterà un altro obiettivo strategico della ricerca nazionale.
Questo dovrebbe essere perseguito sia tramite lo studio di nuovi materiali ad elevata area superficiale capaci di decomporre reversibilmente composti ad alto contenuto di idrogeno. Lo sviluppo tecnologico di quest’ultimo processo richiede un attento investimento in ricerca per realizzare catalizzatori omogenei od eterogenei capaci di idrogenare reversibilmente il biossido di carbonio.
Punto cardine di un Processo Sostenibile sarà lo sviluppo compiuto della bioraffineria. Resta infatti strategico per il CNR, così come per l’intero paese, lo sviluppo di un vero e proprio comparto di ricerca pubblica, interfacciato col mondo produttivo, che operi nel settore della conversione chimica della biomassa (non appartenente alla filiera alimentare) in energia, biocombustibili e prodotti per la chimica fine. Queste attività, riconducibili al tema generale della Chimica Verde, già fanno parte del bagaglio scientifico dei ricercatori del DSCTM ed è necessario che siano ulteriormente sviluppate in futuro. Particolare attenzione dovrà essere rivolta alla biotecnologia industriale che coniuga la catalisi enzimatica con la produzione di molecole d'interesse industriale operando in condizioni di bassa intensità energetica.
b. Contenuto Tecnico Scientifico
L'area progettuale prevede le seguenti attività principali: ENERGIA RINNOVABILE
-‐Generazione e Storage di idrogeno che riguarda principalmente le tecnologie di produzione dell’idrogeno e delle celle a combustibile la produzione di idrogeno mediante processi di water-‐splitting e l'immagazzinamento efficiente dell’idrogeno.
-‐Sequestro e Valorizzazione della CO2 con particolare riferimento al sequestro della CO2 e trasformazione in prodotti chimici attraverso processi di riduzione
-‐ Energia Solare, implementando lo sviluppo di tecniche del fotovoltaico attraverso le specifiche tecnologie di generazione elettrica (celle a film sottile, DSSC, OPV, perovskiti) e tecniche di fabbricazione e di gestione della luce potenzialmente applicabili a più di un tipo di celle. Fotosintesi sintetica.
-‐-‐ Processi e tecnologie di utilizzo delle biomasse PROCESSI SOSTENIBILI
Processi chimici e chimico-‐fisici di trasformazione delle biomasse in biocarburanti e sistemi biotecnologici di trasformazione delle biomasse in prodotti chimici per la bioraffineria per definire:
-‐ lo sviluppo di nuove biomasse da destinare a scopi non alimentari; studio per un proficuo utilizzo di scarti biologici derivante dalla lavorazione dei prodotti alimentari e agricoli;
-‐ studio per il miglioramento della qualità delle biomasse nella direzione della produzione di molecole industrialmente sfruttabili;
-‐ l'individuazione, la messa a punto e lo sviluppo di nuove tecnologie (es. Trasformazione molecolare di metaboliti primari e secondari) per l’ottenimento di prodotti ad alto valore aggiunto dalle biomasse;
-‐ lo studio di processi chimici innovativi per la trasformazione di nuovi intermedi da rinnovabili per l’industria; -‐ sviluppo di nuove potenzialità per l’ottenimento di prodotti ad alto valore aggiunto dalla bioraffineria; -‐ Scale-‐up di sintesi chimiche;
-‐ Sviluppo di nuovi processi catalitici efficienti e sostenibili attraverso lo sviluppo di catalizzatori e fotocatalizzatori per processi chimici e della catalisi enzimatica rispetto a quella tradizionale.
-‐ Processi a membrane avanzate per il recupero di prodotti di reazioni
Modeling computazionale in sistemi di interesse ambientale ed energetico mediante sviluppo metodologico e processi per energie rinnovabili.
c. Eventuali collaborazioni nazionali/internazionali
Il Progetto può contare su una ampia rete di collaborazioni a livello nazionale ed internazionale. In ambito nazionale sono attive numerose collaborazioni con altri Istituti del CNR sia del DSCTM sia di altri Dipartimenti CNR, , con aziende private (es. Novamont, Versalis, Chemitex, Canepa, etc.) e con soggetti a forte caratterizzazione territoriale quali Regioni, Federchimica, Distretti Tecnologici, consorzi (es. Conai) e Fondazioni Bancarie. I finanziamenti nazionali alle commesse afferenti sono legati sia a progetti specifici del MIUR (Lab pubblico privati, FISR, FIRB, PRIN,) sia a progetti anche di grossa rilevanza a livello regionale ed al Cluster "Chimica Verde". Le attività svolte nel cluster hanno permesso di interagire, oltre alle Università Sarde, con le aziende Matrica e Versalis localizzate nel polo di Porto Torres.
In ambito internazionale, numerose sono le collaborazioni bilaterali con istituti di ricerca stranieri anche attraverso la partecipazione a progetti europei. con CNRS, EPFL -‐ Switzerland, e quasi tutti gli enti di ricerca omologhi del CNR in Europa. Collaborazioni sono in corso con Brasile, Messico, India, etc.
d. Eventuali collaborazioni con le Università
Il Progetto presenta una ampia rete di collaborazioni con numerosi dipartimenti universitari. Inoltre vi sono strette relazioni anche attraverso gli accordi quadro sottoscritti dal Dipartimento o dall'ente con Consorzio Interuniversitario per la scienza e tecnologia dei materiali-‐ INSTM (Firenze).
e. di fi Infrastrutture di ricerca
Le attività di ricerca del progetto hanno portato alla partecipazione e/o utilizzo di infrastrutture di ricerca: Partecipazione alla gestione della linea XRD1 presso il sincrotrone ad Elettra in collaborazione con la
Sincrotrone Trieste S.C.p.A.
Strutture integrate NMR e Spettroscopia Laboratorio LAMEST per gli studi morfologici Infrastrutture Biofermentazione
CEME -‐ Centro Microscopie Elettroniche dell’Area della Ricerca di Firenze, ICCOM-‐CNR e Microscopia Multiscale presso IPCF.
per lo scale-‐up di processi chimici.