Modélisation des composites MOFs/Oxyde de graphène et leurs performances pour le captage de CO2

Modelling of MOF/Graphene oxide composites and their performances for CO2 capture

• Auteur / Autrice : Anusha Lalitha
• Direction : Guillaume Maurin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/03/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Maurin, Patrick Senet, Göktug Ahunbay, Anne Julbe, Nathalie Steunou, Dorothée Berthomieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Senet, Göktug Ahunbay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Adsorption

Oxyde de graphène

Metal-organic frameworks

Mots clés libres

Modélisation Dynamique

MOFs

Oxyde de Graphène

Interfaces

Adsorption

Captage de CO2

Molecular dynamics

MOFs

Graphene oxide

Interfaces

Adsorption

CO2 capture

Résumé

La problématique du réchauffement de la planète causé par l’émission de gaz à effet de serre est actuellement un enjeu sociétal majeur. La capture de CO2 par l’utilisation de matériaux poreux apparait comme une solution viable. Des composites construits à partir de l’assemblage d’oxyde de graphène (GO) et de matériaux hybrides poreux de type MOFs ont récemment été proposés comme des candidats prometteurs pour l’adsorption sélective du CO2 vis-à-vis d’autres gaz, comme N2 et CH4. Dans cette thèse, une attention particulière a été portée à la construction de modèles structuraux pour le GO incorporant différentes fonctionnalités chimiques. Une méthodologie computationnelle innovante intégrant des approches quantiques et classiques (Dynamique Moléculaire) a été ensuite mise en œuvre pour construire des modèles microscopiques des composites MOF/GO et caractériser leurs interfaces en termes de taux de recouvrement, nature des sites d’interaction et déformation du GO, des paramètres qui jouent un rôle majeur dans la compatibilité du composite. Cette étude a été menée de façon systématique en faisant varier la nature à la fois du MOF et de la fonctionnalisation du GO. Par la suite, les performances de séparation de ces systèmes ont été modélisées à l'aide de simulations Monte Carlo. Cet effort computationnel a été mené en lien étroit avec des données expérimentales issues de différentes collaborations au sein du projet H2020 EU GRAMOFON. Les conclusions de cette thèse ouvrent la voie à un développement plus rationnel des membranes à matrice mixte MOF/GO.

Recently, most of the research attention has been focused on controlling global warming resulting from the emission of greenhouse gases. The advantage of developing adsorbents for physisorption-based CO2 capture resides in the reduction of energy penalty and easier recyclability. Composite systems (MOF/GO) made from the assembly of graphene oxide (GO) with Metal organic frameworks (MOFs) together with tailored functionalities have been recently revealed as promising candidates to selectively adsorb CO2 over diverse gases including N2 and CH4. In this PhD, an innovative computational methodology integrating density functional theory calculations and force field-based molecular dynamics simulation has been applied to provide a first atomistic picture of the interactions at the MOF/GO interface with the main objective to characterize the nature of the interactions between the two components, the surface coverage, the GO conformation that all together are expected to play a key role in the compatibility of the composite. As a first step, a careful attention has been paid to develop a structural model for the GO containing –hydroxyl, -epoxy and –carboxylic groups consistent with the experimental observation on the C/O ratios. As a proof of concept, the zinc-based zeolite imidazole framework ZIF-8 has been considered and its MOF surface model has been taken from our previous work. The MOF/GO interface has been further built and detailed analysis of the MOF/GO interfaces has been generated. A systematic computational exploration of the impact of the nature of the MOFs as well as of the functionalization of GO has been further deployed. Subsequently, the adsorption and separation performances were modelled for these MOF/GO systems using Monte Carlo simulations. These computational findings were supported by experimental data collected within the frame of the H2020 EU GRAMOFON and paves way towards a more rationale development of mixed matrix membranes.