DS0205 - Stockage, gestion et intégration dans les réseaux des énergies

Solides hybrides poreux dopés avec des nanoparticules métalliques pour le stockage d'énergie – MEMOS

Solides hybrides poreux dopés avec des nanoparticules métalliques pour le stockage d'énergie

Synthèse et caractérisation des nouveaux composites à base des nanoparticules de métaux de transition confinés dans les pores des différents solides hybrides poreux

Synthèse et caractérisation des nouveaux composites à base de solides hybrides poreux dopés avec des nanoparticules métalliques pour le stockage d'énergie

Le projet MEMOS (Solides hybrides poreux dopés avec des nanoparticules métalliques pour le stockage d'énergie) se propose d'élaborer et analyser des hybrides formés par l'encapsulation des nanoparticules mono- et bimétalliques dans les solides poreux Metal-Organic-Frameworks (MOFs) pour des applications de stockage d'énergie. Ces hybrides multi-composant sont très innovants et n'ont jamais été étudiés pour le stockage d'hydrogène. Le but de l'insertion des nanoparticules bimétalliques dans les pores des MOFs est d'augmenter l'enthalpie d'adsorption de H2 par physisorption afin d'accroitre les capacités de stockage à la température ambiante. Afin de mener à bien ce projet, nous proposons une collaboration franco-roumaine entre deux laboratoires reconnus dans le domaine des matériaux pour le stockage d'hydrogène: Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE CNRS France) et National Institute for Research and development of isotopic and molecular technologies (INCDTIM Roumanie).

Le projet se compose de 3 principales taches:
1) La première consiste à synthétiser les MOFs avec les propriétés texturales contrôlables,
2) La deuxième corresponds au dopage des MOFs avec des nanoparticules mono- et bimétalliques,
3) La troisième tache est dédiées a la détermination des propriétés de stockage d’hydrogène des MOFs initiaux et des composites multi-composants.

Tout d'abord, nous avons mis au point les conditions de synthèse des composites monométalliques à base de Pd.
Une fois la synthèse optimisée, les propriétés structurales, nanostructurales, texturales des différentes composite à base de Pd@MIL-101 ont été étudiées en fonction du taux de dopage en métal (5-20 % massique). Quelle que soit la teneur en Pd, nous avons obtenu des nanoparticules très bien dispersées dans les pores du MIL-101 avec une taille contrôlée d’environ 1 nm. C’est la première fois que des nanoparticules de Pd d’environ 1 nm sont préparées dans un MOF avec des teneurs en métal importantes. L’absorption de l’hydrogène dans les nanoparticules de Pd a été étudiée au laboratoire par la méthode solide-gaz et par Spectroscopie d’Absorption des rayons X au synchrotron SOLEIL.
Nous avons mis en évidence, pour la première fois, que les nanoparticules de Pd de 1 nm absorbent l’hydrogène à la température ambiante et forment des solutions solides avec l’hydrogène et non pas une phase hydrure comme le Pd massif ou les nanoparticules de Pd de 2 nm. Cela peut s’expliquer par une forte diminution de la température critique du domaine biphasé dans le diagramme de phase Pd-H en dessous de la température ambiante.

Nous allons étendre la synthèse à d'autres compositions mono-métalliques (Rh) d’abord et bi-métalliques ensuite. Le MIL-101 sera utilisé principalement car nous avons déjà une très bonne connaissance de ses propriétés physico-chimiques et une bonne maitrise lors de son utilisation pour le dopage avec Pd. D’autres MOFs sont également envisagés tels que, MIL-100 (Cr) et MIL-100 (Fe) (microporeux).

1 manuscrit soumis
3 communications orales dans des conférences nationales et internationales

Le projet MEMOS se propose de développer les connaissances fondamentales concernant des hybrides multi-composants (des nanoparticules bimétalliques encapsulées dans des solides poreux de type Metal-Organic-Framework) pour des applications de stockage d'hydrogène.
Grâce à leur très haute surface spécifique, les solides poreux Metal-Organic-Framework (MOF) montrent des propriétés très prometteuses pour le stockage solide de l'hydrogène principalement à basse température. Quant aux nanoparticules métalliques (NPM), elles ont des propriétés intéressantes pour le stockage d'hydrogène, grâce à leur très petite taille. Néanmoins, leur combinaison à l’échelle nanométrique est une nouvelle approche qui devrait conduire à la découverte des matériaux hybrides très innovants. A notre connaissance, la plupart des études menées sur ce type de matériaux concerne des applications en catalyse hétérogène.
Pour des application de stockage d'hydrogène, les matériaux hybrides ont l'avantage de combiner l'absorption de l'hydrogène dans les NPM et l'adsorption de l'hydrogène à la surface des MOF. Pour des applications pratiques à la température ambiante, l'enthalpie d'adsorption de l'hydrogène à la surface des matériaux poreux doit être augmentée. L'avantage de l'utilisation des hybrides réside dans la possibilité d'ajuster l'enthalpie d'adsorption via des effets de synergie. En effet, très récemment, deux études indépendantes ont démontré cet effet dans différentes hybrides à base de nanoparticules monométalliques et des supports poreux.
L'originalité du projet consiste dans la synthèse des hybrides multi-composants à base de nanoparticules bimétalliques et des solides MOF pour augmenter l'enthalpie d'adsorption d'hydrogène à la température ambiante. Si la capacité de stockage massique de l'hybride diminue par l'encapsulation des NMP par rapport aux MOF de départ, la capacité volumique peut être augmentée significativement par l'utilisation des monolithes compressés.
Un effort considérable du projet sera dédié à la préparation de ces hybrides innovants tout en contrôlant les propriétés texturales de la matrice poreuse ainsi que la composition chimique et la distribution de tailles des nanoparticules bimétalliques. Une fois la synthèse maîtrisée, la caractérisation systématique des hybrides sera réalisée. Les propriétés fondamentales et de sorption d'hydrogène des hybrides avant et après compaction seront déterminées ainsi que des caractérisations approfondies seront menées à l’aide des grands instruments.
Ce projet de 36 mois réunira pour la premier fois un laboratoire français, Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE) et un laboratoire roumain, National Institute for Research and development of isotopic and molecular technologies (INCDTIM), autour d'un objectif commun: la synthèse et la caractérisation des nouveaux hybrides avec des capacités de stockage d'hydrogène importantes à la température ambiante grâce à une enthalpie d'adsorption augmentée. Notre approche est purement académique et le succès de ce projet international sera assuré par le support financier demandé pour le recrutement des étudiants en thèse et en Master, l'achat des substances et du matériel de laboratoire, la maintenance et le renouveau des équipements ainsi que, le déplacement des personnes impliquées entre les deux laboratoires. Ce consortium apportera les compétences complémentaires qui sont nécessaires pour le succès et le bon déroulement du projet. De plus, ces hybrides pourront avoir des applications dans d’autres domaines que le stockage d'hydrogène tels que, la catalyse ou l'optoélectronique. Nous sommes persuadés que ces hybrides seront capables dans un futur proche de répondre aux besoins de l’industrie en matière des nanomatériaux innovants.

Coordination du projet

Claudia ZLOTEA (Institut de Chimie et des Matériaux de Paris-Est)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INCDTIM National Institute for Research and Development of Isotopic and Molecular Technologies
ICMPE Institut de Chimie et des Matériaux de Paris-Est

Aide de l'ANR 229 503 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2016 - 36 Mois

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