• Aspetti fondamentali: negli approcci foto ed elettro-guidati per utilizzare l'energia rinnovabile per l'accumulo di energia chimica e i processi chimici, ci sono una serie di domande scientifiche fondamentali: i) come usare specie abbastanza reattive (come fotoni, elettroni), caratterizzate da rapidi processi di trasformazione, nella trasformazione chimica con velocità di reazione inferiori di due o tre ordini di grandezza; ii) come controllare la selettività in questi processi, quando possono verificarsi reazioni multiple a valori simili di potenziale energetico per la loro trasformazione; iii) come aumentare la produttività degli elettrodi (per raggiungere valori rilevanti per lo sfruttamento industriale), pur mantenendo un'elevata efficienza e selettività degli elettrodi. La risposta è combinare catalisi con processi basati su plasma, foto o elettroni, ma, ad esempio, c'è ancora una comprensione abbastanza limitata della questione chiave della differenza tra elettrochimica ed elettrocatalisi, e quindi su come progettare elettrodi avanzati basati su questa comprensione.
• Aspetti tecnologici: ci sono anche una serie di domande ugualmente rilevanti da affrontare dal punto di vista tecnologico: i) come operare in modo efficace e stabile in presenza di contaminanti tipici presenti nei flussi industriali da trattare, ii) come evitare la necessità di concentrare l'alimentazione (CO2, per esempio), con relativi costi. Una possibile soluzione è progettare un nuovo tipo di elettrodi, che integrano una membrana (che ha la funzione di concentrazione selettiva sulla superficie del catalizzatore) con l'elettro / foto catalizzatore. Questa è una nuova area per la progettazione di elettrodi compositi avanzati, ma che richiede di sviluppare nuove conoscenze per la sua implementazione. La realizzazione di una maggiore produttività degli elettrodi richiede anche la progettazione di nuovi elettrodi di tipo 3D, compresi i nuovi metodi di produzione (come la stampa 3D). È inoltre necessaria una nuova ingegneria dei dispositivi per implementare a livello sfruttabile questi processi.
• Ampliare il campo di applicazione: estendere i campi di applicazione è un altro problema critico da passare dal laboratorio a un uso più ampio. Attualmente, la maggior parte della ricerca si concentra sulla scissione dell'acqua, con un crescente interesse per la conversione foto / elettro CO2, ma spesso limitata a conversioni piuttosto semplici (2e^-) come la formazione di CO o acido formico. La sfida è quella di passare a trasformazioni più complesse, che coinvolgono la trasformazione multielettronica e possibilmente la formazione di legami C-C, al fine di creare una catena del valore veramente nuova basata sulla CO₂. Il riutilizzo della CO₂ nel quadro dei cicli produttivi di chiusura (per l'economia circolare) è un altro nuovo campo limitato solo a quello. La sintesi diretta di NH₃ (o persino dell'urea) da N₂ e H₂O (e CO₂, per l'urea) è un'altra area emergente, con un grande impatto potenziale (riduzione fino al 90% dell'impronta di carbonio). L'applicazione dei processi foto / elettro alla valorizzazione della biomassa sta solo iniziando a essere esplorata. Esistono molte possibilità, tra cui, ad esempio, la realizzazione del processo di ossidazione / riduzione in tandem per sviluppare nuovi processi chimici (ad esempio la produzione di acido adipico direttamente dal glucosio in un reattore elettrocatalitico in tandem) con un grande impatto e riduzioni dei costi e dell'impronta.

 
I dottorandi saranno così istruiti ad affrontare le sfide della trasformazione in corso nella produzione di energia e chimica in modo integrato / multidisciplinare. Solo in parte e non secondo l'approccio globale olistico delineato sopra, questi argomenti sono affrontati negli attuali corsi di dottorato e anche a livello di ricerca, ma spesso la maggior parte degli aspetti delineati sopra non viene affrontata in modo coerente.