Dipartimento di Scienze Chimiche, Biologiche, Farmaceutiche ed Ambientali

La ricerca sulla catalisi eterogenea e sui processi sostenibili è una delle principali attività del Laboratorio di Catalisi per la Produzione e l'Energia Sostenibili (CASPE), dove operano i gruppi di Chimica Industriale e Ingegneria delle Reazioni Chimiche del Dipartimento ChiBioFarAm dell'Università di Messina. Questo Laboratorio è stato creato dall'Università di Messina assieme al Consorzio Interuniversitario per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali (INSTM) e all'Istituto Europeo di Ricerca sulla Catalisi (ERIC aisbl). Dal 2001 al 2009 è stato anche uno dei tre laboratori associati che hanno partecipato all'ELCASS (Laboratorio Europeo di Catalisi e Scienza delle Superfici), insieme al CNRS e all'Università Louis Pasteur in Francia, e al Fritz-Haber-Institut del MPG in Germania. L'ERIC è un'organizzazione internazionale senza scopo di lucro con sede a Bruxelles (Belgio) e un centro di competenza leader in Europa per la ricerca innovativa sui materiali catalitici nanotecnologici.

Il gruppo (circa 10 professori/ricercatori e 20-30 tra post-doc e dottorandi) è guidato da Gabriele CENTI e Siglinda PERATHONER, professori di Chimica Industriale presso l'Università di Messina, mentre le attività di ingegneria delle reazioni sono guidate da Claudio AMPELLI. 

Tutti questi tre docenti sono tra i World's Top 2% Scientists, la lista elaborata ogni anno dalla Stanford University in collaborazione con Elsevier che mette in evidenza gli scienziati e le scienziate più influenti al mondo, classificati in base al loro impatto scientifico, in termini di numero di articoli/pubblicazioni e di citazioni nell’area di ricerca di riferimento. In particolare, il prof. G. Centi è il primo, tra i ricercatori di UniME, sia nel ranking relativo all'ultimo anno (2024) che in quello relativo all'intera carriera, e tra i primi 5000 del mondo su tutte le tematiche  e nei primi 20 relativa alla tematica Chimica Fisica. 

Le attività di ricerca coprono numerosi campi della catalisi eterogenea (incluse la fotocatalisi e l'elettrocatalisi) e lo sviluppo di processi, tecnologie e dispositivi sostenibili correlati alla produzione chimica e all'energia e la tutela dell'ambiente. Il laboratorio è stato tra i pionieri nello sviluppo di nuove metodologie per il riutilizzo della CO2.

La chimica e l'energia basate sull'energia solare e sull'economia circolare sono i principali temi su cui si concentra la ricerca. È stata recentemente avviata una nuova attività del Solar HUB

Questa attività fà parte del progetto SCOOP (Novel Solar cells for solar-to-hydrogen CONtinuOus Production; FISA-2022-00277 finanziato dal Ministero dell'Università e della Ricerca - MUR; Responsabile S. Perathoner).

Il Solar Fuels Hub ha la missione di a) presentare i risultati al pubblico e svolgere azioni di disseminazione e comunicazione per diversi target (la comunità scientifica, le aziende e altri stakeholder, il pubblico e la società), e b) analizzare lo sfruttamento delle tecnologie e le relative prospettive di mercato, definendo eventualmente uno o più casi aziendali e, in particolare, un piano di sfruttamento. Sarà il luogo in cui le unità prototipo sviluppate dal centro CASPE saranno inserite nell'ambito di SCOOP e di altri progetti.

L'obiettivo principale dell'hub è promuovere le tecnologie basate sui combustibili solari presso il pubblico e le parti interessate, nonché presso le autorità pubbliche, per dimostrare le possibilità offerte dalla tecnologia per accelerare la trasformazione verso un futuro a zero emissioni di carbonio.

La visione comune del Laboratorio CASPE è lo sviluppo di nuovi materiali e processi industriali innovativi. Le attività coprono aspetti che vanno dalla sintesi e dalla caratterizzazione ai test e alla cinetica, fino agli aspetti di ingegneria e valutazione di reattori, catalizzatori e processi. L'attenzione si concentra di recente sul trio di catalisi reattiva: fotocatalisi, elettrocatalisi e catalisi al plasma, con uno sforzo verso direzioni non convenzionali, anche nella loro modellazione e comprensione. 

L'impegno è rivolto allo sviluppo di tecnologie critiche per uno scenario trasformativo che conduca a un modello di produzione distribuito, resiliente e circolare (e-chemistry) che riduca (elimini) la dipendenza dai combustibili fossili, le esternalità, il trasporto di sostanze chimiche e l'impatto sulle risorse, tra gli altri aspetti.

Una descrizione di risultati recenti del Laboratorio è riportata a questo link,  ove vi sono anche indicazioni su presentazioni plenarie e keynote ad invito nel mondo, recenti pubblicazioni e libri tra cui il recente "Unlocking the Future of Renewable Energy and Chemistry through Catalysis" (Elsevier, Sett. 2025, ISBN: 9780443333316), progetti attivi (sia europei che nazionali, per un totale di vari M€) ed altre informazioni. 

Una descrizione delle attività e linee di ricerca è riportata a questo link. In breve, sono attive le seguenti due tematiche principali, oltre ad attività su membrane catalitiche e processi sostenibili chemio-catalitici:

• Produzione chimica con energia solare
• Economia circolare

Il Laboratorio opera in stretta sinergia, nell'ambito di vari progetti di ricerca, con varie industrie europee e mondiali, in quanto è orientato allo sviluppo di catalizzatori, tecnologie e processi catalitici sostenibili. Questa attività è rappresentata schematicamente nella figura seguente che riassume l'impegno del laboratorio per passare dall'attuale produzione chimica a quella del futuro basata su energia rinnovabile, ove la progettazione di "alberi artificiali" riassunta nella figura rappresenta la frontiera della ricerca sviluppata originalmente dal Laboratorio.

Il Laboratorio CASPE, di circa 500 m² di spazi dedicati alla ricerca, dispone di estesa strumentazione per test catalitici con catalizzatori eterogenei, studi foto-, elettro- e plasma catalitici, caratterizzazione avanzata di solidi ed elettrodi, ed analitica di supporto alla sperimentazione.

Le metodologie di studio riguardano:

Materiali avanzati

• Ossidi misti, zeoliti e materiali mesoporosi, metalli nobili supportati e materiali strutturati per reazioni di ossidazione, idrogenazione, protezione energetica e ambientale
• Materiali nanocompositi, sensori, membrane catalitiche, silenziatori e filtri catalitici
• Elettrodi nanostrutturati (anodo, catodo) per reazioni fotocatalitiche ed elettrocatalitiche e celle a combustibile

Processi chimici

• Tecnologie di clean-up, processi di ossidazione selettiva e idrogenazione, reattori a membrana, energia sostenibile, processi fotoelettrochimici
• Ingegneria dei reattori, dispositivi e materiali
• Riutilizzo e minimizzazione dei rifiuti

Energia

• Produzione di H2 (nuovi processi, membrana, foto)
• Materiali fotoattivi, celle fotovoltaiche di nuova generazione
• Nuovo elettrodo per PEM-FC e celle a combustibile solari
• Dispositivi fotoelettrochimici
• Conversione e valorizzazione della biomassa
• Utilizzo dell'energia elettrica per processi chimici

Analisi chimica avanzata

• Diversi gascromatografi (FID, TCD, MS) e micro GC
• HPLC con Analizzatore quadrupolare, cromatografo ionico
• GC quadruplo triplo a tripla massa: GC-MS/MS
• GCxGC-MS
• Analizzatore TOC, adsorbimento atomico
• FTIR con cella a gas, Raman

Studio della reattività di catalizzatori e materiali

• Diverse linee per test catalitici in condizioni di flusso dotate di relativi sistemi di preparazione e analisi del feed
• Test ad alta produttività
• Apparecchiatura per test elettrocatalitici
• Diverse linee per studi di fotoreattività
• Diverse autoclavi (da 100 ml a 0,1 l) per sintesi di catalizzatori e test catalitici
• Linea per test su membrana

Caratterizzazione di solidi e materiali

• Diffrazione di raggi X
• Microscopia elettronica a scansione con EDX, TEM (accessibile)
• FT-IR, microscopia Raman, UV-Visibile in riflettanza
• TG, DSC (con analizzatore di massa)
• Chemisorbimento e area superficiale
• Riduzione/ossidazione/desorbimento a temperatura programmata
• AA

Superficie e studi in situ

• Mappatura XPS
• Linee FT-IR dotate di celle DRIFT e a flusso di trasmissione
• Reazioni superficiali a temperatura programmata
• Caratterizzazione elettrochimica