Stockage et Absorption d’Energie Mécanique dans les Matériaux Microporeux par Intrusion de Solutions d’Electrolytes à Haute Pression – MESAMM

Le projet inclut trois principales approches expérimentales :
1). Tests d’intrusion-extrusion de solutions salines aqueuses à haute pression dans les zéolithes et les Zeolitic Imidazolate Frameworks à caractère hydrophobe qui sont synthétisées dans l’équipe IS2M-MPC. Les solides poreux sont caractérisés par des méthodes physicochimiques, structurales et texturales avant et après les tests d’intrusion-extrusion afin de mieux comprendre l’interaction des solutions avec la charpente des matériaux poreux.
2) Mesures des effets thermiques de l’intrusion-extrusion par la calorimétrie in situ dans un appareil spécialement conçu par l’équipe ICB-ASP dans le cadre du projet afin de mieux comprendre la thermodynamique du processus.
3) Simulation du processus à l’échelle atomique par des méthodes de Dynamique Moléculaire et Monte Carlo réalisée par les équipes IRCP et ENS-PASTEUR.

L’étude de l’intrusion-extrusion de solutions aqueuses de chlorures différentes dans le zéosil de type MFI montre que la nature du cation n’a que peu d’impact sur le comportement des systèmes « zéosil – solution saline », mais influence fortement la pression d’intrusion. En comparant les cations de métaux alcalins et alcalino-terreux, il a été observé que la diminution de la taille de cation et l’augmentation de sa charge conduisaient à une hausse de la pression d’intrusion. Les systèmes utilisant les solutions concentrées de LiCl et de ZnCl2 montrent les performances énergétiques les plus élevées.
L’influence de la nature de l’anion sur les caractéristiques d’intrusion-extrusion de solutions aqueuses d’halogénures de potassium dans le MOF de type ZIF-8 a été établie. La diminution de la taille de l’anion conduit à l’augmentation de la pression d’intrusion.
Un montage expérimental original a été conçu et mis en œuvre par l’équipe ICB-ASP. Il permet de mesurer les effets thermiques lors de l’intrusion-extrusion de solutions salines concentrées dans des solides hydrophobes nanoporeux.

Dans le cadre du projet il est envisagé d’étudier l’intrusion-extrusion dans plusieurs nouveaux systèmes « zéolithe – solution saline » et « Zeolitic Imidazolate Framework (ZIF) – solution saline » afin d’établir l’influence de plusieurs paramètres sur les caractéristiques d’intrusion-extrusion : la topologie de la charpente de zéolithes ou de ZIFs, sa composition (dans le cas des ZIFs – cation de charpente et nature du ligand imidazolate), la nature du cation et de l’anion dans la solution ainsi que de sa concentration. Les systèmes « solide – solution » ayant des performances énergétiques élevés seront développés.
Les effets thermiques de l’intrusion-extrusion de solutions salines aqueuses dans certaines zéolithes et ZIFs seront étudiés par la calorimétrie in situ. Ces résultats permettront de mieux comprendre la thermodynamique de l’intrusion-extrusion de solutions salines dans les solides hydrophobes microporeux.
Les modèles théoriques de l’intrusion-extrusion seront développés par la simulation numérique par les méthodes de Dynamique Moléculaire et Monte Carlo ce qui permettra de comprendre le processus d’intrusion-extrusion de solution d’électrolytes dans les micropores hydrophobes à l’échelle atomique.

Article:
F.X. Coudert, A. Boutin, A.H. Fuchs, “Open questions on water confined in nanoporous materials”, Communications Chemistry, 2021, in press
Conferences:
1. A. Ryzhikov, A. Astafan, T.J. Daou, H. Nouali, G. Chaplais, C. Marichal, High pressure intrusion of aqueous chloride salt solutions in silicalite-1 for mechanical energy storage: influence of cation nature, 8th Conference of the Federation of European Zeolite Associations (FEZA 2021), 5-9 Juillet 2021 (virtual, poster)

2. A. Astafan, H. Nouali, A. Ryzhikov, T.J. Daou, C. Marichal, G. Chaplais, High pressure intrusion of non-wetting liquid in hydrophobic Zeolitic Imidazolate Frameworks for mechanical energy storage/absorption, 15ème Journées d’Etudes de Milieux Poreux, 26-27 Octobre Strasbourg 2021.
3. A. Astafan, T.J. Daou, H. Nouali, G. Chaplais, C. Marichal, A. Ryzhikov, High Pressure Intrusion of Aqueous Salt Solutions in MFI-type Zeosil: Influence of Cation Nature, 15ème Journées d’Etudes de Milieux Poreux, Strasbourg, 26-27 Octobre 2021.

Le projet est consacré à la recherche de nouveaux systèmes hétérogènes lyophobes à forte efficacité pour le stockage et l’absorption d’énergie mécanique basés sur l’intrusion à haute pression de solutions d’électrolytes dans des solides microporeux hydrophobes tels que les zéolithes purement siliciques (zéosils) et les matériaux de type Metal-Organic Framework. La compréhension des mécanismes d’intrusion à l’échelle atomique et du point de vue thermodynamique est un objectif central. Le projet porte sur la réalisation d’expériences d’intrusion-extrusion de solutions salines à forte concentration en variant la nature du sel dans les solides poreux, l’étude de l’intrusion par calorimétrie in situ et la simulation du processus à l’échelle atomique par des méthodes de Dynamique Moléculaire et Monte Carlo.