Projet ANR-15-CE06-0003 – Computationalcarboncapture : Nouvelles stratégies pour la capture efficace de carbone par les réseaux organométalliques à l'aide des methodes de calcul
Programme : Efficacité énergétique des procédés et des systèmes (DS0206) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Madame Roberta Poloni (Laboratoire de Science et Ingénierie des MAtériaux et Procédés)
Partenaires : TU Delft; Institut Neel; Laboratoire public
Montant : 278103.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 48 mois
Résumé : Le dioxyde de carbone générées par la combustion de combustibles fossiles pour la production de chaleur et d'électricité est un contributeur majeur au changement climatique. Bien que de grands efforts et investissements sont en cours pour augmenter l'utilisation des énergies renouvelables et  pour améliorer l'efficacité de la conservation des ressources de combustibles fossiles, le changement climatique exige une contribution importante de la capture et la séquestration du carbone. Plusieurs technologies et des matériaux différents ont été étudiés au cours des 10 dernières années dans ce but. Néanmoins, aucune solution définitive a été obtenue principalement en raison de leur faible efficacité énergétique.
Nous proposons d'aborder le problème de la capture du carbone en utilisant des stratégies originales. Nous proposons de developper des nouveaux MOFs (metal-organic frameworks) dont l'affinité pour le CO2 peut être modifié sous irradiation lumineuse ou par chauffage, de sorte que l'adsorption et la désorption peuvent être effectuées chaque aux conditions les plus avantageuses, permettant d'atteindre une efficacité énergétique élevée et un coût limité. Nous allons adopter plusieurs méthodes complémentaires tels que la DFT, la dynamique moléculaire ab initio, la théorie des perturbations à plusieurs corps, grand canonical Monte Carlo et la dynamique moléculaire classiques pour étudier le mécanisme d'adsorption au niveau moléculaire et pour caractériser le processus de capture a niveau industriel.
La première classe de MOFs étudiés sont les MOF photo-actives. Il s'agit de molécules photo-actives ancrés de façon covalente sur la surface interne du MOF de telle sorte que la capture et la désorption du gaz peuvent être obtenus par l'ouverture et la fermeture des pores, lors de l'excitation par la lumière. De cette façon, l'adsorption plus faible obtenu apres traitement par la lumière permettra une énergie de désorption réduite. Seulement quelques-uns d'entre eux ont été synthétisés au cours des 5 dernières années et leur efficacité dans la capture du CO2 était si pauvre que on ne trouve pas d'autres matériaux dans la littérature plus récente. Nous proposons ici de modifier des matériaux existants afin d'atteindre une performance sans précédent. Nous allons remplacer les composants des MOFs existants avecs des metaux et ligands ad hoc et montrer que pour ces matériaux atteindre un rendement élevé est possible. Pour ce faire, nous allons caractériser le mécanisme de liaison du CO2, le mécanisme d'isomérisation sous traitement lumière et l'isotherme d'adsorption avant et après irradiation de lumière. 
La seconde classe de MOF sont les spin-crossover MOFs. Ceux-ci contiennent des sites de métaux de transition qui subissent une modification de leur configuration électronique en fonction de la température. Ici, nous proposons d'utiliser ce mécanisme, pour la première fois, pour obtenir des nouveaux matériaux dont l'affinité pour le CO2 peut être considérablement réduite avec la température, ce qui réduit le coût du procédé. Bien que ce mécanisme n'a pas été explorée auparavant dans le contexte de la capture du carbone, quelques MOFs avec transition de spin ont déjà été synthétisés. Notre stratégie consiste à modifier ces MOFs de telle sorte que le processus pourrait être utilisé pour la capture industrielle  du CO2. Cela exige l'étude de la température de transition de spin, l'hystérésis, le mécanisme de liaison et la thermodynamique de l'adsorption en fonction de température et pression du gaz. Les propriétés de diffusion et la sélectivité par rapport a N2 seront calculés. Bien que ceci est un travail avec une approche entierement computationnelle, nous avons des collaborations en cours et sommes en contact avec des groupes expérimentaux intéressées par ces matériaux. La compréhension développé lors de ce travail motivera leur effort de synthèse avenir et ouvrira la voie à de nouveaux champs de recherche basés sur ces matériaux .