Projet ANR-10-BLAN-0822 – SOFT-CRYSTAB : Stabilité mécanique et hydrothermale des solides poreux flexibles
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Madame Anne BOUTIN (ECOLE NORMALE SUPERIEURE)
Partenaires : Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse; Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne; École nationale supérieure de chimie de Paris; École normale supérieure de Paris; Institut Pasteur
Montant : 540000.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Mécanismes de dégradation et de régénération des matériaux poreux à l'échelle atomiqueLa stabilité hydrothermale et mécanique de nouveaux matériaux poreux flexibles dans le cadre d’un procédé industriel.
Compréhension de la stabilité des matériaux poreuxLa stabilité de ces matériaux en présence de contraintes externes dans un procédé industriel est une question importante. Les évolutions structurales réversibles du matériaux leurs donnent des propriétés exploitables, mais peuvent intervenir de manière brutale dans un procédé réel et poser des problèmes de stabilité mécanique à long terme (après de nombreux cycles d'utilisation).
couplage expérience / théorieLa projet inclut la synthèse, la caractérisation et la modélisation des matériaux poreux. On utilise donc différents types de méthodes de synthèse (hydrothermal, sous pression, ...), des méthodes de caractérisations allant des mesures d'isothermes et d'isobares (gravimétrie, manométrie) à la diffraction de rayon X et spectroscopie infra-rouge in situ, ainsi que des méthodes de simulation moléculaire classique (Dynamique moléculaire, Monte-Carlo) et quantiques (DFT).
Résumé de la soumission : Les matériaux hybrides organiques–inorganiques (Metal–Organic Frameworks, ou MOF) est un domaine de recherche qui a émergé au cours des dix dernières années au sein des communautés de la chimie du solide et de la chimie physique. Les MOF, aussi appelés Porous Coordination Polymers (PCP), sont des matériaux cristallins poreux constitués de centres métalliques reliés entre eux par des ligands organiques. Ils présentent une gamme extrêmement variée de structures cristallines et de propriétés matériau/adsorbat, ce qui donne à cette classe de matériaux des applications potentielles majeures dans les technologies d'adsorption et de séparation des gaz stratégiques, en lien avec les thématiques énergétiques et des problèmes environnementaux. La combinaison possible d'un réseau poreux modulable et de la fonctionnalisation de la surface interne, à laquelle s'ajoute la flexibilité de ces matériaux, ouvre la voie à des propriétés physicochimiques extrêmement variées.La synthèse de nouveaux MOF présentant des propriétés étonnantes avance à un rythme soutenu dans de nombreuses équipes à travers le monde. Ces matériaux seront vraisemblablement utilisés dans un futur proche pour des applications concrètes telles que la détection, la catalyse, la reconnaissance moléculaire, les effets de mémoire, le stockage et le transport d'énergie et de matière, ainsi bien sûr que la séparation des mélanges de fluide et la purification. Ces deux derniers domaines sont aujourd'hui considérés comme l'une des applications les plus prometteuses des MOF. Cependant, avant de pouvoir considérer l'un de ces matériaux pour un procédé industriel, il est nécessaire de s'assurer de la stabilité du solide vis-à-vis de contraintes telles que la température, l'humidité (possibilités d'hydrolyse) et l'utilisation répétée du matériau (stabilité mécanique).Ce projet a pour but de caractériser la stabilité mécanique et hydrothermale des solides poreux flexibles (Soft Porous Crystals, ou SPC), une sous-classe des MOF qui présentent de remarquables propriétés de réponse à des stimuli externe. Les matériaux de la famille des SPC, lors de l'exposition à un stimulus de faible intensité (lumière, champ électrique, présence de gaz...), voient leur charpente subir des changements de grande amplitude, tout en maintenant son caractère cristallin. La stabilité de ces matériaux en présence de contraintes externes dans un procédé industriel est une question importante. Les évolutions structurales réversibles du matériaux leurs donnent des propriétés exploitables, mais peuvent intervenir de manière brutale dans un procédé réel et poser des problèmes de stabilité mécanique à long terme (après de nombreux cycles d'utilisation). De plus, les effets de température et la présence de traces d'eau doivent être pris en compte, car ils peuvent avoir un impact dramatique sur le vieillissement des matériaux. Il existe très peu d'études sur ce sujet dans la littérature scientifique, en particulier sur le vieillissement des SPC dans des conditions similaires aux procédés industriels réels.Ce projet vise à comprendre et prédire l'évolution, la dégradation et la régénération des propriétés spécifiques liées à la flexibilité des SPC, lorsqu'ils sont exposés à des contraintes mécaniques et hydrothermales. Il est nécessaire pour cela de s'intéresser aux mécanismes de dégradation et de régénération des matériaux à l'échelle atomique, afin de pouvoir rationaliser et guider la recherche des meilleurs candidats pour une application choisie.L'originalité de ce projet est de traiter l'une des principales questions posées par le passage aux procédés industriels réels : la stabilité hydrothermale et mécanique des SPC, d'un point de vue fondamental et à l'échelle atomique. Le projet utilisera pour ce faire des méthodes expérimentales et théoriques nouvelles, nécessaires pour traiter un problème de cette envergure.
Résultats : Caractérisation complète du diagramme de phase Température-Pression d’eau du matériaux Ga(F,OH)-MIL53.
Etude des constantes élastiques qui a permis de mettre en évidence que la présence de transitions structurales des MOFs flexibles est liée à leur flexibilité dans le domaine élastique
Perspectives : Etude de la dégradation des matériaux.
Publications et brevets : 1. A. U. Ortiz et al.Langmuir 2012, 28, 494–498.
2. D. Bousquet et al. J. Chem. Phys. 2012, 137, 044118.
3. A. U. Ortiz et al. Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 195502.
4. D. Bousquet et al. J. Chem. Phys 2013, 138 174706.
5. A.U. Ortiz et al. J. Chem. Phys 2013, 138, 174703.
6. A.U. Ortiz et al. ,J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1861-1865.
7. A. Boutin et al. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 8180-8188.