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Area  Progettuale  1.      Chimica  Verde  e  Processi  Sostenibili

 

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.