CONTRAT DOCTORAL - Contrôle des défauts dans les matériaux hybrides poreux de type MOFs pour une modulation maîtrisée de leurs performances électroniques et mécaniques

par Vanessa Ortiz

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Sabine Devautour et de Pascal Yot.

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 01-10-2016 .


  • Résumé

    La découverte de nouveaux matériaux pour répondre à des problématiques sociétales dans le domaine de l'environnement, l'énergie et la santé demeure un enjeu majeur tant au niveau national qu'international. Dans ce contexte, les matériaux hybrides poreux de type Metal-Organic Frameworks (MOFs) suscitent un engouement très fort depuis plusieurs années [1]. Certains d'entre eux présentent des performances supérieures à celles des solides poreux couramment employés (zéolithes, charbons actifs…) dans diverses applications dédiées à la séparation de gaz, l'encapsulation de principes actifs, le stockage et la conversion de l'énergie. Ces solides hybrides poreux cristallisés offrent une opportunité unique de créer des nano-objets dont l'architecture, la porosité et la fonctionnalité chimique peuvent être modulables à façon selon les prérequis de l'application visée. D'un point de vue plus fondamental, la richesse chimique et structurale de cette famille de matériaux leur confère une place de choix pour adapter les relations structures/propriétés. De manière générale, les structures cristallines de ces matériaux ne sont en réalité que très rarement parfaites. On y trouve une variété de défauts qui jouent un rôle prépondérant envers leurs propriétés qu'il soit préjudiciable ou bénéfique. A titre d'exemple, certains MOFs présentent des performances décevantes en terme de séparation de gaz, en raison de la présence de défauts structuraux tels que des ligands non pontants, à l'origine d'une distribution hétérogène de la taille des pores du système. A l'inverse, d'autres MOFs voient leur activité catalytique croître de façon spectaculaire dès lors qu'ils contiennent des sites métalliques insaturés et/ou des ligands vacants. Il en résulte qu'un meilleur contrôle des défauts constitue une des voies à privilégier pour optimiser les propriétés particulières des MOFs. Le sujet de thèse que nous proposons s'inscrit dans cette lignée et a pour objectif de mettre en évidence le rôle des défauts structuraux (coordinance incomplète, vacance de centres métalliques/ligands…) et des défauts chimiques (impuretés via le dopage chimique) sur les propriétés électroniques et thermo-mécaniques des MOFs. Cette étude a pour but ultime d'optimiser les performances de ces solides pour diverses applications dans le domaine de l'électronique (dispositifs électroniques, photovoltaique, électro-catalyse) et d'orienter au mieux leurs procédés de mise en forme, préalable inévitable avant toute application industrielle des MOFs.

  • Titre traduit

    CONTRAT DOCTORAL - Defects-engineering in MOFs hybrid porous solids for a controlled tuning of their electronic and mechanical performances


  • Résumé

    The discovery and development of innovative materials is a key aspect of meeting the challenges that our society faces in the areas of the environment, energy and biomedicine. One such type of materials is the crystalline hybrid porous metal-organic frameworks (MOFs), which offer an unprecedented diversity of nanoporous architectures. Their performance in gas capture and storage, molecular separation, biomedicine, catalysis, e nergy storage and conversion, among others, can potentially surpass that of the alternative porous solids (zeolites, carbons). Their crystallinity and systematic/modular variability provides a unique opportunity for the tuning of the chemical and physical features, allowing the design of optimal materials for targeted applications. In addition, their regular crystal structures in which all the pores have the same size, shape and functionality greatly facilitates the determination of structure-property relationships. In nature, “ideal, perfect crystals” with an infinite periodic arrangement of identical groups of atoms in space do not exist. Indeed, defects in solid-state materials have an unequivocal role on their chemical and physical properties, which may be favorable or adverse, depending on the application. As an example, missing linker defects have been demonstrated to decrease the gas separation performances of some MOFs, while they contribute to sharply improve the catalytic activity in others. Therefore, judicious control over intrinsic, extrinsic or non-stoichiometric defects is of paramount importance to understanding and further optimization of the specific properties desired in these materials. In this context, we propose to examine how structural defects (linker and/or metal vacancies, coordinatively unsaturated metal (cus) sites…) and chemical defects (impurities and dopants) impact the electronic and mechanical properties of MOFs. This will serve as a springboard to the design of new materials with optimal performances for applications in the field of electronic devices, photovoltaic conversion, electro-catalysis and also to tune their shaping, with a view to their use in the chemical industry.