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Oggetto:
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Physical Chemistry

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Physical Chemistry

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Academic year 2017/2018

Course ID
MFN1343
Teaching staff
Prof. Silvia Bordiga (Titolare del corso)
Prof. Lorenzo Maschio (Titolare del corso)
Dott. Elena Clara Groppo (Titolare del corso)
Degree course
Laurea Magistrale in inglese -MaMaself
Year
1° anno
Teaching period
Secondo semestre
Type
Caratterizzante
Credits/Recognition
8
Course disciplinary sector (SSD)
CHIM/02 - chimica fisica
Delivery
Tradizionale
Language
Inglese
Attendance
Facoltativa
Type of examination
Scritto ed orale
Prerequisites

Buone basi di fisica e chimica fisica, meccanica quantistica, struttura atomica, legame chimico, termodinamica e termochimica, elementi basilari di cristallografia, conoscenza di tecniche spettroscopiche di indagine.

Solid basis in physics and chemistry, atomic structure, chemical bond, termodinamicand thermochemistry,
crystallography, knowledge ofspectroscopies
Oggetto:

Sommario del corso

Oggetto:

Course objectives

Nella prima parte il corso si propone di fornire strumenti generali per la costruzione di funzioni d’onda multielettroniche.

Nella seconda, l’obiettivo è quello di fornire strumenti teorici e sperimentali che permettano la comprensione dei fenomeni che avvengono alla superficie dei materiali, a partire dall’adsorbimento fino alla reattività.

The goal in the first part of the course is to give general tools for multielectronic wave function building. In the second part the main goal is to supply theoretical tools and experimental methods for understanding the phenomena occurring at the surfaces of the materials, from adsorption to reactivity.

Oggetto:

Results of learning outcomes

Comprensione dei fattori dominanti dell’interazione interelettronica, e conoscenza delle tecniche teoriche più comuni per il loro studio.

Capacità di prevedere, interpretare e studiare con le opportune tecniche sperimentali i fenomeni che avvengono alle interfasi liquido-solido, solido-solido e in particolare alla interfase solido-gas. Si prevede che lo studente acquisisca i principi alla base della catalisi: come vengono attivate molecole semplici da parte di sistemi omogenei e alla superficie dei materiali e perché; quali sono i fattori che determinano la reattività alle superfici di diverse categorie di materiali.

Understanding of the leading factors of the inter-electronic interaction, and knowledge of the most diffuse theoretical techniques for their study.

Ability to foresee, understand and study by the suitable experimental techniques the liquid-liquid,  solid-solid and in particular solid-gas interface phenomena. It is expected that the student will learn the basic principles at the basis of catalysis: types of activation of simple molecules by homogeneous systems and by surfaces, and why; which are the factors affecting the reactivity at the surfaces of different kind of materials.

Oggetto:

Course delivery

Tipologia Insegnamento

Lezioni frontali : 56 ore.

Laboratorio: 16 ore.

Totale: 72 ore

Frequenza:

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

Lessons: 56 hours;

Laboratory: 16 hours

Total: 72 hours.

Attendance

The attendance at the lessons is not compulsory. The attendance at the laboratory is compulsory and cannot be less than 70% of the total.

Oggetto:

Learning assessment methods

L'esame è separato in due parti.

La prima parte (Prof. Maschio) consiste in una prova scritta.

La seconda parte (Profs. Bordiga e Groppo) consiste in un colloquio orale. Lo studente dovrà essere in grado di elaborare in forma di grafici i risultati degli esperimenti condotti in laboratorio e di commentarli. A partire da questa prima discussione, verranno fatte ulteriori domande volte ad appurare l'apprendimento di quanto svolto a lezione.

Il voto sarà la media delle due parti, espresso in trentesimi.

Per gli studenti italiani sarà possibile sostenere l'esame in lingua italiana.

The exam is separated in two parts.

The first part of the exam (Prof. Maschio) is written.

The second part (Profs. Bordiga and Groppo) is oral. The student should be able to elaborate the results of the experiments performed in the lab in the form of graphs and to comment them. Starting from this preliminary discussion, additional questions will be done, in order to verify the knowledge of the topics developed during lessons.

The mark will result as the average of the two parts, expressed in thirties.

Italian students may sustain the exam in italian.

Oggetto:

Program

PARTE PRIMA

– Elementi di Chimica quantistica dei materiali.
–Il problema multielettronico: funzioni multi e mono –elettroniche; antisimmetria e detor.
–Hamiltoniana e i suoi termini, operatori di momento angolare, mono e multielettronici.
–Il metodo di Hartree-Fock e la sua equazione; elementi di matrice tra detor: le regole di Slater; l’Interazione di Configurazioni; Teorema di Brillouin; il metodo perturbativo di Moeller Plesset e il Coupled Cluster. Il funzionale della densità.
–I gruppi finiti e le regole di selezione per gli elementi di matrice, operatore proiezione; elementi di teoria delle bande, spazio reciproco e prima zona di Brillouin; funzioni di Bloch e teorema relativo.
–Livello di Fermi e superficie di Fermi; il problema multielettronico per i sistemi cristallini.

PARTE SECONDA

1. BULK, SUPERFICI E INTERFACCE
Diversi tipi di superficie: esterna, interna, singoli cristalli, nano-particelle- Proprietà che cambiano alla nano-scala; fenomeni che avvengono alla superficie.

2 MISURARE LA SUPERFICIE
Adsorbimento: fisi e chemisorbimento
Adsorbimento di N2 a 77 K, tipi di isoterme. Equazioni usate per descrivere le isoterme sperimentali (Henry, Langmuir, BET)
Micro e mesopori
Metodi complementari alle misure volumetriche: micro-calorimetria e VT-IR

3. UN ESEMPIO DI MATERIALI POROSI: LE ZEOLITI
Definizione e descrizione di una zeolite, topologie ecc. Sinergia tra siti attivi e porosità
Protoni in zeoliti
Come misurare l’acidità: metodi volumetrici, FT-IR di molecole sonda (CO e H2)
Catalisi acida: oligomerizzazione di alcheni e alchini, FCC, HDC, MTH e processi correlati.
Cationi in zeoliti
Come influiscono sulle proprietà di adsorbimento. Qualche esempio in catalisi
Zeoliti metallo-sostituite
Il caso della TS1

4. LA SUPERFICIE DI OSSIDI
Proprietà di bulk e proprietà elettroniche. Strutture di superficie e gruppi terminali, acidità e basicità
Silice e silicati
Silice pirogenica e processi sol-gel. La superficie dei silicati e il ruolo degli OH.
Come sondare le proprietà di superficie della silice: molecola sonda, reagenti, e specie che si graffano.
Allumina e acidità di superficie
Allumine di transizione e siti acidi di Lewis Al3+
Come caratterizzare le proprietà acide dell’allumina: FT-IR di molecole sonda.
Proprietà catalitiche dell’allumina
Ossido di magnesio e ossido di zinco
Coppie acido-base per splittare la molecola di H2. Un esempio di applicazione della tecnica VT-IR
Ossido di titanio
Sinergia tra superficie e bulk: principi della fotocatalisi

5. LA SUPERFICE DEI METALLI E DI NANO-PARTICELLE METALLICHE
Singoli cristalli
Struttura dei metalli (fcc) e loro superfici.
Geometrie di adsorbimento
Come caratterizzare la superficie di un metllo (singoli cristalli): CO come molecola sonda
Reattività di superficie: l’attivazione dell’H2
Nanoparticelle metalliche
Dimensione, distribuzione di dimensione, morfologia, superfici esposte
Metodi di preparazione e problemi associati (surfattanti, sintering, ricostruzione)
Nanoparticelle supportare: il ruolo del supporto, interazione metallo-supporto, bagnabilità dei supporti
Come caratterizzare le nanoparticelle metalliche e le loro superfici: molecole sonda (CO, FT-IR in confronto a chemisorbimento, H2)
Reattività nei confronti dell’H2.

FIRST PART

–Materials quantum chemistry.
–The multielectronic problem. Mono and multi-electronic functions; detor and antisymmetry.
– Terms in the hamiltonian. Mono and multi particle angular momentum operators.
–The Hartree-Fock method and equation. Matrix elements among detors: the Slater rules. The configuration Interaction, The Brillouin theorem. The Moeller Plesset perturbative scheme and the Coupled Cluster method. The Density Functional Theory.
–Finite Groups and selection rules for the matrix elements of the hamiltonian. Projector Operator; Band theory; reciprocal space and first Brillouin zone. Bloch functions and Bloch theorem.
–The Fermi level and Fermi surface. The multi-electronic problem for crystalline systems.

SECOND PART

1. BULK, SURFACES AND INTERFACES
Different types of surfaces: external and internal, single crystals and nano-particles, Properties that change at the nano-scale, Phenomena occurring at the surfaces.

2. MEASURING THE SURFACE
Adsorption: physisorption and chemisorption
N2 adsorption at 77 K, types of isotherms
Equations used to describe experimental isotherms (Henry, Langmuir, BET)
Micro and meso pores
Methods complementary to volumetric measurements: micro-calorimetry and VT-IR

3. AN EXAMPLE OF POROUS MATERIALS: ZEOLITES
Definition and description of a zeolite, zeolite topologies etc. The synergy between active sites and porosity
Protons in zeolites
How to measure the surface acidity: volumetric method, FT-IR of molecular probe (CO and H2)
Acid catalysis: Oligomerization of double and triple C-C bonds, FCC, HDC, MTH and related processes, etc.
Cations in zeolites
How they affect the adsorption properties
Some example of applications in catalysis
Metal-substituted zeolites
The case of TS1

4. THE SURFACE OF METAL-OXIDES
Bulk properties and electronic behaviour
Surface structures and terminal groups, acidity and basicity
Silica and silicates
Pyrogenic silica and sol-gel processes.
The surface properties of silicates and the role of the OH groups
How to probe the surface of silica: molecular probes, reactants, grafting species
Alumina and surface acidity
Transitional alumina and the Al3+ Lewis acid sites
How to probe the acidity of alumina: FT-IR of molecular probes (CO and basic molecules, e.g. pirydine)
Catalytic properties of alumina (and variations thereof)
Magnesium oxide and Zinc oxide
Acid-base couple to split hydrogen – an example of application of VT-IR technique
Titanium dioxide
Synergy between surface and bulk: some principles of photo-catalysis

5. THE SURFACE OF METALS AND METAL NANO-PARTICLES
Single crystals
Structure of metals (fcc) and their surface, adsorption sites and defects
Adsorbate Geometries & Structures on Metals
How to probe the surface of a metal (single crystals): CO as molecular probe
Reactivity at surfaces (single crystals): the case of hydrogen activation
Metal nano-particles
Particle size, particle size distribution, morphology, exposed surfaces
Preparation methods and associated problems (surfactants, sintering phenomena, reconstruction, etc.)
Supported metal nano-particles: the role of support, Strong metal support interaction phenomena, wettability of metal oxides
How to characterize metal nano-particles and their surface properties: probe molecules (CO, FT-IR in comparison with CO chemisorption, H2)
Reactivity of metal nanoparticles towards H2.

 

Suggested readings and bibliography

Oggetto:

Dispense dei docenti

Slides and notes given by the professors



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Class schedule

Lezioni: dal 05/03/2018 al 08/06/2018

Nota: Per l'orario delle lezioni consultare la pagina "Orario Lezioni" http://scienzadeimateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

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Last update: 19/07/2017 09:50
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