Computational exploration of water adsorption and proton conduction in porous materials

par Paulo Graziane Mendonça Mileo

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Guillaume Maurin et de Sabine Devautour-Vinot.

Soutenue le 21-12-2018

à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-François Dufrêche.

Le jury était composé de Guillaume Maurin, Sabine Devautour-Vinot, Jean-François Dufrêche, Aziz Ghoufi, Patrice Malfreyt, Toufic Jean Daou, Nathalie Steunou.

Les rapporteurs étaient Aziz Ghoufi, Patrice Malfreyt.

mots clés

• Conduction protonique
• Transfert de chaleur par adsorption
• Materiaux poreux
• Adsorption d'eau
• Dynamique protonique
• Simulation moleculaires
• Conduction protonique
• Transfert de chaleur
• Matériaux poreux

Titre traduit

Non renseigné

Résumé

L’objectif de la thèse a été de comprendre la dynamique protonique et l'adsorption d'eau dans de nouveaux matériaux poreux identifiés expérimentalement comme des candidats prometteurs pour des applications dans le domaine de la conduction protonique et du transfert de chaleur par adsorption. Dans ce contexte, des simulations à l’échelle électronique (Théorie de la fonctionnelle de la Densité) et atomique (Monte Carlo et Dynamique Moléculaire classique) ont permis (i) d’élucider les mécanismes de conduction protonique assistées par l’eau de deux matériaux hybrides de type MOFs, MIL-163(Zr) et KAUST-7', et d'un phosphate de titane, TiIVTiIV(HPO4)4 à l’origine de leurs performances exceptionnelles et (ii) d’interpréter les comportements d’adsorption de l’eau d’une série de matériaux hybrides CUK-1(Me), MOF-801(Zr) and MIL-100(Fe) qui peuvent être modulées par la nature de leur centre métallique, la création de défauts et l’incorporation de sites de coordination insaturés. Cette connaissance fondamentale devrait permettre de voir émerger de façon plus efficace des matériaux pour les deux applications visées.

mots clés

• Proton conduction
• Adsorption based heat reallocation
• Porous materials
• Water adsorption
• Proton dynamics
• Molecular simulation

Résumé

The objective of this PhD thesis was to gain insight into the proton dynamics and water adsorption mechanisms in novel porous materials that have been identified experimentally as promising candidates for low temperature proton conduction and adsorption-based heat reallocation-related applications. This was achieved by combining advanced computational tools at the electronic (Density Functional Theory) and atomic (force field_based Monte Carlo and Molecular Dynamics) levels to (i) reveal the water-assisted proton migration pathway through the pores of the hybrid metal organic frameworks MIL-163(Zr) and KAUST-7’and the inorganic phosphonate TiIVTiIV(HPO4)4 materials at the origin of their outstanding proton conduction performances and (ii) explain the water adsorption behaviors of a series of metal organic frameworks CUK-1(Me), MOF-801(Zr) and MIL-100(Fe) that can be tuned by changing the nature of the metal center, creating defects and incorporating coordinatively unsaturated sites. Such a fundamental understanding is expected to pave the way towards a more efficient development of materials for the two explored applications.