Conception de materiaux hybrides poreux avec adsorption d eau controlée et présentant des propriétés de conduction protonique

par Paulo MendonÇA Mileo

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Guillaume Maurin et de Sabine Devautour.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de DAMP - Dynamique et Absorption dans les Matériaux Poreux (equipe de recherche) depuis le 10-12-2015 .


  • Résumé

    La recherche de nouveaux matériaux applicables au développement de la société est une priorité mondiale, en particulier pour améliorer l'utilisation de l'énergie. Les structures métal-organiques (MOF) sont particulièrement d'intérêt en raison de la large gamme de matériaux qui peuvent être synthétisé. Ces solides poreux hybrides offrent une diversité sans précédent des architectures nanoporeuses et fonctionnalités chimiques. Cette relativement nouvelle classe de matériaux représente non seulement une source presque infinie de candidats potentiels pour diverses applications, mais ils sont aussi une plate-forme unique de modèles solides cristallines qui peuvent être utilisés pour comprendre et rationaliser des mécanismes fondamentaux dans des domaines tels que l'adsorption et la catalyse. Dans ce projet, nous envisageons à explorer l'adsorption et la dynamique de l'eau dans les pores de MOFs chimiquement stables. Cette connaissance servira à la création de nouvelles MOFs avec des performances exceptionnelles en termes de transformation de la chaleur par adsorption (pompes à chaleur / climatiseurs) et la conduction protonique. Bien que beaucoup d'efforts aient été dirigé à la conception des MOFs pour le stockage et séparation de gaz, beaucoup moins d'attention a été tourné vers leur potentiel pour l'adsorption d'eau et de leurs propriétés de conduction protonique. Ceci est principalement dû à la stabilité chimique limitée de la plupart des MOFs, conduisant souvent à une perte progressive de leur performance en présence d'eau. En ce qui concerne à la conduction protonique, un petit nombre de MOFs avec valeurs de conductivité comparables à la performance du Nafion sous humidification (~10-2 S/cm-1) a été proposée. Ces solides sont en majorité engendrés par la modification des MOFs existants, avec l'addition des groupes sulfoniques ou phosphoniques, ou en introduisant donateurs ou transporteurs de protons dans leurs pores. Plutôt que de moduler les caractéristiques structurales et chimiques des MOFs par chance, des outils expérimentaux et informatiques seront mis en place pour identifier les matériaux chimiquement stables les plus prometteurs pour les applications d'adsorption de l'eau et de la conduction des protons. L'établissement des relations structure-propriété sera conduite en fonction des donnés issus des MOFs existants. Ces résultats assortiront la conception de nouvelles MOFs in silico via un outil informatique unique basée sur l'assemblage automatisé des unités secondaires (AASBU). Une stratégie de synthèse innovante sera alors conçue pour préparer les matériaux souhaités. Leurs performances seront vérifiées expérimentalement. Les méthodes computationnel-expérimentales pour la conception in silico des MOF avec des propriétés orientés sont essentielles à la découverte des nouveaux matériaux. Nous cherchons à (i) manipuler l'architecture et les fonctionnalités des MOFs, (ii) caractériser finement et rationaliser leurs performances et (iii) comprendre les mécanismes à l'origine de leur propriétés.

  • Titre traduit

    Design of hybrid nanoporous materials with controlled vapour adsorption and proton conduction properties


  • Résumé

    The search for novel materials for societal relevant applications is a worldwide priority, specifically where energy savings can be made. The family of Metal-Organic Frameworks (MOFs) is especially of interest due to the wide spectrum of materials that can be prepared. These crystalline hybrid porous solids, built up from inorganic sub-units and organic complexing linkers, offer an unprecedented diversity of nanoporous architectures and chemical functionality. This relatively new class of materials represents not a unique platform of model crystalline solids which can be used to understand and rationalize fundamental mechanisms in fields such as adsorption and catalysis. In this project we aim to explore the adsorption and the dynamics of water in the pores of chemically stable MOFs. This fundamental knowledge will further serve to create novel robust MOFs with outstanding performances in terms of adsorptive heat transformation (heat pumps/air conditioning-AC) and proton conduction. While much effort has been devoted to design MOFs for gas storage/separation, much less attention has been paid to tune their water adsorption and their proton conduction properties. This is mainly due to the limited chemical stability of most of the existing MOFs leading often to a gradual performance loss in the presence of water. Turning to proton conduction, a small number of MOFs has been proposed for both solvent-mediated and anhydrous proton conduction with conductivity values comparable to the performance of Nafion under humidification (~10-2 S/cm-1). These solids were mostly engendered by grafting existing MOFs with channel-accessible sulfonic or phosphonic groups, or by introducing proton donors/carriers into their pores. Rather than modulating the structural and chemical features of the MOFs by serendipity, high-throughput (HT) experimental and computational tools will be set-up to identify the most promising chemically stable materials for water adsorption and proton conduction applications. A rational data analysis will be conducted on existing MOFs with the establishment of structure-property relations. These outcomes will serve as feedback for the design of novel MOFs which will be primarily created in silico via a unique computational toolbox based on the Automated Assembly of Secondary Building Unit (AASBU) approach. An innovative synthesis strategy will then be devised to prepare the desired materials. Their superior performances will be experimentally verified. Innovative comprehensive computational-experimental methodologies for the in silico design of robust MOFs with target properties are essential in current materials discovery. We seek to (i) manipulate the architecture and the functionalities of robust MOFs, (ii) finely characterize and rationalize their performances and (iii) understand the mechanisms at the origin of the properties.