Modélisation des alliages à base de vanadium et des matériaux poreux cristallins utilisés comme membranes de séparation de gaz

Modelling study of vanadium based metal alloys and crystalline porous materials for gas separation membranes

• Auteur / Autrice : Jenny Borisova Evtimova
• Direction : Anne Julbe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 25/11/2016
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec Università degli studi della Calabria, Universidad de Zaragoza (Espagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Rob Lammertink
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Julbe, Rob Lammertink, Martin Paidar, Enrico Drioli, Reyes Mallada
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rob Lammertink, Martin Paidar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vanadium

Membranes de séparation des gaz

Alliages

Zéolites

Metal-organic frameworks

Mots clés libres

DFT

Zéolithes

Alliages métalliques

MOF

Membrane

Vanadium

DFT

Zeolite

Metal alloy

MOF

Membrane

Vanadium

Résumé

Dans cette étude, nous proposons des procédures basées sur des calculs informatiques et des modèles théoriques qui peuvent être utilisés pour prévoir le comportement de certains matériaux membranaires d'intérêt pour les applications de séparation de gaz. En particulier, nous nous sommes concentrés sur: i) des alliages VNiTi de structure cubique centrée, considérés comme de nouveaux matériaux pour les membranes denses sélectives à H2 et ii) sur des matériaux poreux cristallins qui sont des systèmes attractifs pour la séparation de gaz légers tels que H2, O2, CO, CO2, CH4 et N2. Les deux groupes de matériaux sont traités en utilisant une méthodologie différente, adaptée aux besoins des recherches associées à ces matériaux.Dans le cas des membranes métalliques denses, nous nous sommes intéressés à la controverse, connue de longue date, concernant l'occupation de l'hydrogène interstitiel dans les alliages à base de vanadium. Le système V-Ni-Ti est en effet particulièrement intéressant grâce à sa perméabilité élevée pour H2 et à ses propriétés mécaniques accrues par rapport au vanadium pur. Ce travail cible la compréhension de la structure ces alliages à l'échelle atomique, de façon à les optimiser et à activer la conception et le développement de ces matériaux comme nouvelles membranes pour la séparation de H2. Notre approche, basées sur les premiers principes, donne un aperçu des sites préférentiels de l'hydrogène et évalue le rôle des solutés de substitution Ti et Ni, sur l'affinité d'absorption de l'hydrogène. La méthode basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ne nécessite aucune donnée expérimentale autre que l'information sur la structure cristalline. En outre, cette méthode n’utilise aucun paramètre empirique ou d’ajustement, contrairement à d'autres techniques de calcul. Ainsi, cette approche est une voie alternative pour explorer de nouveaux alliages métalliques utilisables comme membranes de séparation de H2. La méthodologie appliquée pourra être utilisé ensuite dans des calculs à haut débit pour cribler diverses compositions d'alliage. Les résultats reportés ici seront utilisés comme guide pour adapter la formulation des solutions solides VNiTi et préparer des membranes en alliage denses à faible coût (par rapport aux membranes à base de palladium) dans le cadre d’autres projets (e.g. Projet Européen FP7- DEMCAMER).Dans le cadre de notre étude sur les membranes cristallines microporeuses, nous démontrons comment les données sur un composant unique peuvent être utilisées pour prédire la sélectivité idéale de ces membranes envers les gaz légers. Des modèles théoriques sont ainsi proposés pour décrire les propriétés de séparation de gaz de matériaux de type zéolithiques (« zeotypes ») en fonction de leurs paramètres structuraux et des conditions de fonctionnement. Les paramètres du modèle peuvent être obtenus expérimentalement ainsi que par le calcul. Afin d’analyser le degré de validité et les limites des modèles, les sélectivités idéales de deux membranes zéolithes classiquement étudiées (NaA, CaA) et d’une membrane MOF (ZIF-8) ont été évaluées. Les résultats démontrent que les expressions théoriques peuvent être utilisées pour le criblage de séries de matériaux microporeux cristallins sous réserve que des données fiables sur l'adsorption de gaz purs soient disponibles pour ces matériaux. Cependant, étant donné que les modèles n’intègrent pas tous les paramètres (notamment liés au design des membranes) et mécanismes impliqués dans le transport de gaz à travers ces membranes, les prédictions doivent être considérées comme celles correspondant à un cas idéal.

In this study, we propose procedures based on computational calculations and theoretical models that can be used to predict the behaviour of some of the membrane materials of interest for gas separation applications. In particular, we focus on: i) body-centred cubic VNiTi alloys as novel materials for H2-selective dense membranes and ii) crystalline porous materials that are attractive media for separation of light gases such as H2, O2, CO, CO2, CH4 and N2. These two types of materials are treated using different methodologies, adapted to the needs of our research objectives associated to each material.In the case of dense metal membranes, the long-standing controversy over occupancy of interstitial hydrogen in V-based alloys is addressed. The V-Ni-Ti system is of particular interest here, exhibiting high H2 permeability and improved mechanical properties relative to pure V. This work intends to gain understanding of hydrogen-metal interactions as function of alloy composition and thereby to optimize these new materials and advance their development as novel membranes for H2 separation. We use a first-principles approach that gives insights into the sites preference of hydrogen and assesses the role of Ti and Ni substitutional solutes for the hydrogen absorption affinity. The method based on Density Functional Theory requires no experimental input except crystal structure information. Furthermore, it uses no empirical or fitting parameters in contrast to other computational techniques. Hence this approach provides an alternative way to explore new metal alloys for H2 separation membranes. The applied methodology can be used further in high-throughput calculations to screen various alloy compositions. The hereto-reported results will be used as guidance for tailoring the formulation of VNiTi solid solutions and preparation of low cost dense alloy membranes in the frame of other projects (e.g. European DEMCAMER project).Further, we explore how single-component inputs can be used to forecast the ideal selectivity towards light gases of crystalline porous materials, used for membrane preparation. Theoretical models for describing gas separation properties of zeotype materials as function of structural characteristics and operation conditions are proposed. The model parameters can be obtained as experimentally as well as computationally. To analyse the extent of validity and limitations of the models, ideal selectivities of few crystalline porous materials are evaluated, including widely used zeolites (NaA, CaA) and a metal organic framework structure (ZIF-8). The results verified that the theoretical expressions could be used for screening series of zeotype materials when reliable single gas adsorption data are available. However, since the models don’t take into account all parameters (namely related to the membrane design) and mechanisms involved in gas transport through porous membranes, their predictions should be considered as values referring to an ideal case.