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Industrial Chemistry

Chimica industriale

Componenti

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Settore ERC

PE4_10 - Heterogeneous catalysis

Attività

The main goal of the studies is to correlate the morphological, structural and surface properties of heterogeneous catalysts (oxides and supported systems based on ultra-dispersed metals -among these- noble metals such as Pd, Pt, Au, Rh and less expensive Ni, Cu, Ru supported nanoparticles) with conversion and selectivity of different reactions. The catalytic reactions are carried out in liquid phase firstly in batch mode and, after further optimization of the conditions (in terms of catalyst/substrate ratio, temperature, pressure and time) also in flow mode to scale-up the process for industrial applications. The catalytic tests are performed by using unconventional technologies such as microwaves, ultrasound and mechanochemistry.

Figure Au on titanium oxide catalyst for LA hydrogenation and Au nanoparticle size distribution

1. Development of nanostructured catalysts for the production of fine chemicals, biopolymers and biofuels from biomass

Within a circular economy approach, the research deals with the valorisation of lignocellulosic biomass by upgrading of C5 and C6 fractions (from cellulose and hemicellulose) to value added products, and also monomers to obtain biopolymers. In this frame, innovative catalysts are designed for hydrolysis, oxidation, oxidative esterification and hydrogenation reactions. Studies on lignin valorisation have just begun over stable and cost effective catalysts.

 

MW-assisted catalytic conversion of biomass

Figure Au colloids on cerium oxide for furfural oxidative esterification

 

development.png

 


2. Pharmaceutical catalytic processes

We are focused on reactions of pharmaceutical interest such as selective hydrogenations of triple bonds to double bonds and reductive amination reactions.

Figure Pd supported nanoparticles are able to selectively hydrogenate triple bonds

3. Development of new catalysts prepared by unconventional techniques

The research group is working on the synthesis of new heterogeneous catalysts (based on CeO2 and ZrO2) assisted by unconventional techniques such as microwaves or ultrasound. This approach allows to prepare nanostructured materials exposing a high number of surface active sites, thus with enhanced catalytic activity. Moreover, characterisation studies on high entropy mixed oxides (HEOs) prepared at high temperature and with rock salt structure (such as Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2O) or spinel structure (as (Co0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)(Al0.2Co0.2Cr0.2Fe0.2Mn0.2)2O) are in progress.

Figure Morphology structure and element maps of high entropy oxide

 

4. Nanomaterials for drug delivery

This research focuses on the study of the morphological-structural and surface properties of differently functionalised nanomaterials designed to control and optimise the drug release performances.

 

5. Conversion of lignin into products for food and pharmaceutical industry

This research focuses on the use of enabling technologies such as microwaves (MW) and ultrasound (US) for the conversion of native or isolated lignin into added value products for the food and fragrances industry and/or fine chemicals (bioactive heterocyclic compounds).

lignin.png

6. Green solvents for pretreatment, extraction and conversion of agri food wastes  

This research aims to investigate the application of different green solvents for the valorisation of agri-food wastes. These solvents are tested:

-for the extraction of high added value products;
-for the delignification of the solid residue after extraction;
-for biomass catalytic conversion;
-as organocatalysts for further conversion reactions;
-for scale-up processes.

The interaction of solvents with microwaves (MW) is also studied.

upload_green06.png

  • XRD diffraction to investigate the structure of heterogeneous catalysts before and after reaction.
  • Field emission scanning electron microscopy (FESEM) and high resolution electron microscopy (HR-TEM) to obtain information of the morphology, the dispersion and average size of the active metal phase, the crystallinity of both metal and support.
  • Electronic and vibrational spectroscopies to study the nature of the active sites.
  • Microwave and ultrasound reactors.
  • HPLC, GC to determine both conversion and selectivity of the catalytic reactions.

  • Prof. Robert Raja
    School of Chemistry, University of Southampton, Southampton, UK

    University of Southampton


  • Prof.ssa Barbara Bonelli, Prof. Serena Esposito, Prof. Samir Bensaid
    Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia, Politecnico di Torino

    Politecnico di Torino


  • Prof.ssa Michela Signoretto e Prof.ssa Federica Menegazzo
    Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi, Università Cà Foscari, Venezia

    Università Ca' Foscari Venezia


  • Prof.ssa Laura Prati e Prof. Alberto Villa
    Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Milano

    Università degli Studi di Milano


  • Prof. Svetlana Ivanova
    Departamento de Química Inorgánica, Universidad de Sevilla, Espana




  • Prof.ssa Silvia Bordiga, Prof.ssa Elena Groppo
    Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Torino




  • Prof. Enrica Gianotti
    Dipartimento di Scienze e Innovazione Tecnologica, Università del Piemonte Orientale

    Università Piemonte Orientale


  • Prof. Silvia Arpicco, Prof. Giancarlo Cravotto, Dott.ssa Emanuela Calcio Gaudino
    Dipartimento di Scienze e Tecnologia del Farmaco Università degli Studi di Torino
  • Prof. Roberto Mazzoli
    Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei Sistemi

Logo di Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei Sistemi                                                                                              

  • Prof. Claudio Forte
    Dipartimento di Scienze Veterinarie  

Logo di Dipartimento di Scienze Veterinarie

  • MOSCATo PRIN - 2017 Linea A “Cutting-edge X-ray methods and models for the understanding of surface site reactivity in heterogeneous catalysts”.

  • BIOENPRO4TO – Smart solutions for smart communities finanziato con fondi POR FESR 2014/2020, nell'ambito della Piattaforma tecnologica Bioeconomia. Codice Progetto n. 333-175
  • CELNULAT-Valorizzazione dei sottoprodotti enologici contenenti CELlulosa per la produzione di NUtraceutici e acido LATtico. 

    PSR 2014-2020 - Progetti pilota - Piattaforma tecnologica bioeconomia. DOMANDA: 20201313671

  • LIVE-HAZE-HAZELNUT INDUSTRIAL BY-PRODUCT INCLUSION IN LIVESTOCK CHAINS IN ITALY. Bando PRIN 2020

L'obiettivo degli studi è correlare le proprietà morfologiche, strutturali e superficiali di catalizzatori eterogenei (ossidi e sistemi supportati a base di metalli ultra-dispersi, tra questi, metalli nobili come Pd, Pt, Au, Rh e metalli meno costosi, come Ni Cu, Ru) con l’attività catalitica (in termini di conversione e selettività). Le reazioni sono condotte in fase liquida dapprima in modalità batch e, dopo ulteriore ottimizzazione delle condizioni (rapporto catalizzatore/substrato, temperatura, pressione e tempo) anche in flusso allo scopo di effettuare lo scale-up del processo per applicazioni industriali. I test catalitici vengono eseguiti utilizzando tecnologie non convenzionali come microonde, ultrasuoni e meccanochimica.

Figure Au on titanium oxide catalyst for LA hydrogenation and Au nanoparticle size distribution


1. Sviluppo di catalizzatori nanostrutturati per la produzione di molecole ad alto valore aggiunto a partire da biomasse

In un approccio di economia circolare, la ricerca si occupa della valorizzazione di biomassa lignocellulosica convertendo le frazioni C5 e C6 (da cellulosa ed emicellulosa) in prodotti ad elevato valore aggiunto, oppure a monomeri per ottenere biopolimeri. In questo contesto, vengono progettati e studiati catalizzatori innovativi per reazioni di idrolisi, ossidazione, esterificazione ossidativa ed idrogenazione. Sono in fase iniziale studi sulla valorizzazione della lignina usando catalizzatori stabili ed economici.

MW-assisted catalytic conversion of biomass

Figure Au colloids on cerium oxide for furfural oxidative esterification


development.png

2. Processi catalitici farmaceutici

Ci occupiamo di reazioni di interesse farmaceutico come idrogenazioni selettive di tripli legami e reazioni di amminazione riduttiva.

Figure Pd supported nanoparticles are able to selectively hydrogenate triple bonds


3. Sviluppo di nuovi catalizzatori preparati con tecniche non convenzionali

Il gruppo di ricerca sta lavorando alla sintesi di nuovi catalizzatori eterogenei (basati su CeO2 e ZrO2) mediante tecniche non convenzionali come microonde o ultrasuoni. Questo approccio consente di preparare materiali nanostrutturati che espongono un elevato numero di siti attivi, quindi con maggiore attività catalitica. Inoltre, sono in corso studi di caratterizzazione su ossidi misti ad alta entropia (HEO) preparati ad alta temperatura e con struttura rock salt (come Co0.2Cu0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2O) o struttura tipo spinello (Co0.2Mg0.2Ni0.2Zn0.2)(Al0.2Co0.2Cr0.2Fe0.2Mn0.2)2O).

Figure Morphology structure and element maps of high entropy oxide


4. Nanomateriali per il rilascio controllato di farmaci

Questa ricerca è focacizzata sullo studio delle proprietà morfologico-strutturali e superficiali di nanomateriali funzionalizzati progettati per controllare e ottimizzare le prestazioni di rilascio del farmaco.

5. Conversione di lignina in prodotti per l'industria alimentare e farmaceutica 

Questa ricerca si concentra sull'uso di tecnologie non convenzionali come le microonde (MW) e gli ultrasuoni (US) per la conversione della lignina nativa o isolata in prodotti a valore aggiunto per l'industria alimentare e delle fragranze e/o della chimica fine (composti eterociclici bioattivi).

lignin.png

6. Solventi green per il pretrattamento, l'estrazione e la conversione di scarti agroalimentari   

Questa ricerca si propone di indagare l'applicazione di diversi solventi green per la valorizzazione dei rifiuti agroalimentari. Questi solventi sono testati:

-nell'estrazione di prodotti ad alto valore aggiunto;
-nella delignificazione del residuo solido dopo l'estrazione;
-nelle reazioni di conversione catalitica della biomassa;
-come organocatalizzatori per ulteriori reazioni di conversione;
-nello scale-up dei processi.
Viene inoltre studiata l'interazione dei solventi con le microonde (MW)

upload_green06.png

  • Diffrazione XRD per studiare la struttura di catalizzatori eterogenei prima e dopo la reazione.
  • Microscopia elettronica a scansione di campo (FESEM) e microscopia elettronica ad alta risoluzione (HR-TEM) per ottenere informazioni sulla morfologia, la dispersione e la dimensione media della fase metallica attiva, la cristallinità sia del metallo che del supporto.
  • Spettroscopie elettroniche e vibrazionali per studiare la natura dei siti attivi.
  • Reattori a microonde e ultrasuoni.
  • HPLC, GC, NMR per determinare sia la conversione che la selettività delle reazioni catalitiche.

 

  • Prof. Robert Raja
    School of Chemistry, University of Southampton, Southampton, UK

    University of Southampton


  • Prof.ssa Barbara Bonelli, Prof. Serena Esposito, Prof. Samir Bensaid
    Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia, Politecnico di Torino

    Politecnico di Torino


  • Prof.ssa Michela Signoretto e Prof.ssa Federica Menegazzo
    Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi, Università Cà Foscari, Venezia

    Università Ca' Foscari Venezia


  • Prof.ssa Laura Prati e Prof. Alberto Villa
    Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Milano

    Università degli Studi di Milano


  • Prof. Svetlana Ivanova
    Departamento de Química Inorgánica, Universidad de Sevilla, Espana




  • Prof.ssa Silvia Bordiga, Prof.ssa Elena Groppo
    Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Torino




  • Prof. Enrica Gianotti
    Dipartimento di Scienze e Innovazione Tecnologica, Università del Piemonte Orientale

    Università Piemonte Orientale


  • Prof. Silvia Arpicco, Prof. Giancarlo Cravotto, Dott.ssa Emanuela Calcio Gaudino
    Dipartimento di Scienze e Tecnologia del Farmaco Università degli Studi di Torino
  • Prof. Roberto Mazzoli
    Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei Sistemi

Logo di Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei Sistemi

Prof. Claudio Forte
Dipartimento di Scienze Veterinarie  

Logo di Dipartimento di Scienze Veterinarie

  • MOSCATo PRIN - 2017 Linea A “Cutting-edge X-ray methods and models for the understanding of surface site reactivity in heterogeneous catalysts”.

  • BIOENPRO4TO – Smart solutions for smart communities finanziato con fondi POR FESR 2014/2020, nell'ambito della Piattaforma tecnologica Bioeconomia. Codice Progetto n. 333-175
  • CELNULAT-Valorizzazione dei sottoprodotti enologici contenenti CELlulosa per la produzione di NUtraceutici e acido LATtico. 

    PSR 2014-2020 - Progetti pilota - Piattaforma tecnologica bioeconomia. DOMANDA: 20201313671

  • LIVE-HAZE-HAZELNUT INDUSTRIAL BY-PRODUCT INCLUSION IN LIVESTOCK CHAINS IN ITALY. Bando PRIN 2020

Prodotti della ricerca

  • https://www-scopus-com.bibliopass.unito.it/authid/detail.uri?authorId=6602882931
  • https://app-webofknowledge-com.bibliopass.unito.it/author/record/408584
  • Sono- and mechanochemical technologies in the catalytic conversion of biomass, Calcio Gaudino, E., Cravotto, G., Manzoli, M., Tabasso, S., Chem. Soc. Rev., 2021,50, 1785-1812.
  • Deactivation of industrial Pd/Al2O3 catalysts by ethanol: a spectroscopic study, Carosso, M., Vottero, E., Morandi, S., Manzoli, M., Ferri, D., Fovanna, T., Pellegrini, R., Piovano, A., Groppo, E., ChemCatChem, 2021, 13, 900-908.
  • Ruling factors in cinnamaldehyde hydrogenation: activity and selectivity of Pt-Mo catalysts, Stucchi, M., Manzoli, M., Bossola, F., Villa, A., Prati, L., Nanomaterials 2021, 11, 1-12.
  • A new eight-cation inverse high entropy spinel with large configurational entropy in both tetrahedral and octahedral sites: synthesis and cation distribution by X-ray absorption spectroscopy, Fracchia, M., Manzoli, M., Anselmi-Tamburini, U., Ghigna, P., Scripta Materialia, 2020, 188, 26-31.
  • A Pt-Mo hybrid catalyst for furfural transformation, Stucchi, M., Alijani, S., Manzoli, M., Villa, A., Lahti, R., Galloni, M. G., Lassi, U., Prati, L., Catalysis Today, 2020, 357, 122-131.
  • A smart use of biomass derivatives to template an: ad hoc hierarchical SAPO-5 acid catalyst, Mariatti, F., Miletto, I., Paul, G., Marchese, L., Tabasso, S., Manzoli, M., Cravotto, G., Gianotti, E., RSC Advances, 2020, 10, 38578-38582.
  • Tuneable copper catalysed transfer hydrogenation of nitrobenzenes to aniline or azo derivatives, M.J. Moran, K. Martina, F. Baricco, S. Tagliapietra, M. Manzoli, G. Cravotto, Advanced Synthesis and Catalysis, 2020, 362, 2689-2700.
  • Feasibility and the Mechanism of Desorption of Phenolic Compounds from Activated Carbons, Ge, X., Wu, Z., Manzoli, M., Wu, Z., Cravotto, G., Industrial and Engineering Chemistry Research, 2020, 59, 12223-12231.
  • Microwave-Assisted Protocol for Green Functionalization of Thiophenes With a Pd/β-Cyclodextrin Cross-Linked Nanocatalyst, Tabasso, S., Calcio Gaudino, E., Acciardo, E., Manzoli, M., Bonelli, B., Cravotto, G., Frontiers in Chemistry, 2020, 8,253.
  • New Insights on the Dynamic Role of the Protecting Agent on the Reactivity of Supported Gold Nanoparticles, Grillo, G., Menegazzo, F., Tabasso, S., Signoretto, M., Manzoli, M., Cravotto, G., ChemCatChem, 2020, 12, 1653-1663.
  • Unraveling the effect of ZrO2 modifiers on the nature of active sites on AuRu/ZrO2 catalysts for furfural hydrogenation, Morandi, S., Manzoli, M., Chan-Thaw, C.E., Bonelli, B., Stucchi, M., Prati, L., Störmer, Wang, W., Wang, D., Pabel, M., Villa, A., Sustainable Energy and Fuels, 2020, 4, 1469-1480.
  • DFT-Assisted Spectroscopic Studies on the Coordination of Small Ligands to Palladium: From Isolated Ions to Nanoparticles, Campisi, S., Beevers, C., Nasrallah, A., Catlow, C.R.A., Chan-Thaw, C.E., Manzoli, M., Dimitratos, N., Willock, D.J., Roldan, A., Villa, A., Journal of Physical Chemistry C, 2020, 124, 4781-4790.
  • Glycerol: An Optimal Hydrogen Source for Microwave-Promoted Cu-Catalyzed Transfer Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline, Moran, M.J., Martina, K., Stefanidis, G.D., Jordens, J., Gerven, T.V., Goovaerts, V., Manzoli, M., Groffils, C., Cravotto, G, Frontiers in Chemistry, 2020, 8,34.
  • Hydrogenation of CO2 to Methanol by Pt Nanoparticles Encapsulated in UiO-67: Deciphering the Role of the Metal-Organic Framework, Gutterød, E.S., Lazzarini, A., Fjermestad, T., Kaur, G., Manzoli, M., Bordiga, S., Svelle, S., Lillerud, K.P., Skúlason, E., Øien-ØDegaard, S., Nova, A., Olsbye, U., Journal of the American Chemical Society, 2020, 142, 999-1009.
  • Cross-linked cyclodextrins bimetallic nanocatalysts: Applications in microwave-assisted reductive aminations, Gaudino, E.C., Acciardo, E., Tabasso, S., Manzoli, M., Cravotto, G., Varma, R.S., Molecules, 2020, 25,410.
  • Boosting the characterization of heterogeneous catalysts for H2O2 direct synthesis by infrared spectroscopy, M. Manzoli, Catalysts, 2019, 9, 30.
  • Microwave-Assisted Reductive Amination with Aqueous Ammonia: Sustainable Pathway Using Recyclable Magnetic Nickel-Based Nanocatalyst, M. Manzoli, E. Calcio Gaudino, G. Cravotto, S. Tabasso, R. B. N. Baig, E. Colacino, R. S. Varma, ACS Sustain. Chem. Eng., 2019, 7, 5963-5974.
  • Microwave-assisted dehydrogenative cross coupling reactions in γ-valerolactone with a reusable Pd/β-cyclodextrin crosslinked catalyst, S. Tabasso, E. Calcio Gaudino, E. Acciardo, M. Manzoli, A. Giacomino, G. Cravotto, Molecules, 2019, 24, 288.
  • Structure-activity relationship in water-gas shift reaction over gold catalysts supported on Y-doped ceria, T. Tabakova, L. Ilieva, I. Ivanov, M. Manzoli, R. Zanella, P. Petrova, Z. Kaszkur, J. Rare Earths, 2019, 37, 383-392.
  • Self-Activating Catalyst for Glucose Hydrogenation in the Aqueous Phase under Mild Conditions, S. Esposito, B. Silvestri, V. Russo, B. Bonelli, M. Manzoli, F. A. Deorsola, A. Vergara, A. Aronne, M. Di Serio, ACS Catalysis, 2019, 9, 3426–3436.
  • Adsorptive Recovery of Iopamidol from Aqueous Solution and Parallel Reuse of Activated Carbon: Batch and Flow Study, X. Ge, Z. Wu, M. Manzoli, L. Jicsinszky, Z. Wu, A. E. Nosyrev, G. Cravotto, Ind. Eng. Chem. Res., 2019, 58, 7284-7295.
  • Reaction of oxiranes with cyclodextrins under high-energy ball-milling conditions, L. Jicsinszky, F. Calsolaro, K. Martina, F. Bucciol, M. Manzoli, G. Cravotto, Beilstein J. Org. Chem., 2019, 15, 1448–1459.
  • From waste biomass to chemicals and energy via microwave-assisted processes, E. Calcio Gaudino,G. Cravotto, M. Manzoli, S. Tabasso, Green Chem., 2019, 21, 1202-1235.
  • Dynamics of reactive species and reactant-induced reconstruction of Pt clusters in Pt/Al2O3 catalysts, M. Carosso, E. Vottero, A. Lazzarini, S. Morandi, M. Manzoli, K. A. Lomachenko, M. Jimenez Ruiz, R. Pellegrini, C. Lamberti, A. Piovano, E. Groppo, ACS Catal., 2019, 98, 7124-7136.

Ultimo aggiornamento: 28/07/2022 11:09
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