Exploring sources of variability in metal organic frameworks through high throughput adsorption and calorimetric methods

par Paul Adrian Iacomi

Thèse de doctorat en Matière condensée et nanosciences

Sous la direction de Philip Llewellyn.

Soutenue le 15-11-2018

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec MADIREL (laboratoire) .

Le président du jury était Bogdan Kuchta.

Le jury était composé de Stefan Kaskel.

Les rapporteurs étaient Rob Ameloot, Flor Siperstein.

  • Titre traduit

    Exploration des sources de variabilité dans les réseaux métallo-organiques par adsorption à haut débit et méthodes calorimétiques


  • Résumé

    Les réseaux métallo-organiques (MOF) sont une nouvelle classe de matériaux poreux hybrides. Néanmoins leurs propriétés uniques introduisent également des difficultés significatives dans la caractérisation par adsorption de gaz. Dans cette thèse, la création d'un code source libre est détaillé, pour standardiser le traitement des isothermes. En utilisant ce code, un traitement à haut débit de plus de 18 000 isothermes est utilisé pour explorer l'échelle d'incertitude présente dans les données publiées sur l'adsorption dans les matériaux poreux. De plus, la mesure directe de l'enthalpie différentielle de l'adsorption en utilisant la microcalorimétrie s'avère être un excellent moyen d'obtenir la contribution des interactions particulières sur l'énergie d'adsorption. Ensemble, ces méthodes peuvent être utilisées pour étudier les sources d'incertitude des MOF. On étudie d’abord l’impact des défauts structurels au moyen d’une méthode post-synthétique alternative de génération de linker/cluster manquants dans l'UiO-66(Zr). Le traitement des matériaux pour leurs utilisations dans un environnement industriel par façonnage est étudié ici sous l’effet de la granulation par voie humide sur trois MOF topiques (UiO-66(Zr), MIL-100(Fe) et MIL-127(Fe)). Enfin, les comportements contre-intuitifs intrinsèques aux cristaux poreux «souples» sont étudiés, où la structure elle-même est responsable de la fluctuation dans les isothermes d'adsorption. Ici, une étude fondamentale sur un matériau flexible DUT-49 (Cu), apporte des informations sur la source de flexibilité induite par adsorption et sa changeabilité par modification structurelle


  • Résumé

    Metal organic frameworks (MOF) are novel adsorption materials with unique and desirable properties. However, structural defects, processing and structural compliance can lead to irreproducibility in adorption measurements. In this thesis, the creation of an open-source codebase is detailed, which is intended to standardize the processing of isotherms. Using this framework, high throughput processing of over 18 000 isotherms is used to explore the scale of uncertainty present in published adsorption data. Then, direct measurement of the differential enthalpy of adsorption using microcalorimetry is shown to be an excellent avenue of obtaining further insight into the contribution of guest-host and host-host interactions to the overall energetics of adsorption. Together, these methods are used to study some of the sources of the variability of MOFs, and quantify their effect. First, the impact of structural defects is investigated, through an alternative post-synthetic method of missing linker/cluster generation in the prototypical UiO-66(Zr) MOF. The processing of materials for their use in an industrial environment through shaping is another potential source of performance modification, which is here studied as the effect of wet granulation on three topical MOFs (UiO-66(Zr), MIL-100(Fe) and MIL-127(Fe)). Finally, counterintuitive behaviours intrinsic to ``soft'' porous crystals are investigated, where the structure itself is responsible for fluctuation in adsorption isotherms. A fundamental study on a copper paddlewheel based material, DUT-49(Cu) yields know-how on the source of adsorption induced compliance and its tunability through structural modification

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