Monolithes Mesoporeux Hiérarchisés Avancés par Fabrication Additive – HAMMAM

HAMMAM est la rencontre entre nanomatériaux et nouvelles technologies de fabrication additive. La découverte récente de nouvelles nanostructures de silice de type cage (environ 10 nm) a par la suite conduit au développement d'une stratégie innovante pour l'intégration de nanostructures poreuses avec des techniques d’impression 3D basées sur la lumière (stéréolithographie). Cette approche repose sur un concept d’encres mettant en œuvre des ligands photoréactifs sur un noyau inorganique (PLIC). Les encres PLIC à base de nanocages de silice permettent l'impression 3D directe d’objets mésoporeux. La porosité intrinsèque et la fonctionnalisation polyvalente de ces blocs élémentaires de taille nanométrique génèrent ainsi de nombreuses opportunités pour créer des matériaux avancés avec un contrôle structurel multi-échelles et des fonctionnalités localisées.

Sur la base de cette nouvelle stratégie, l'objectif de HAMMAM est de développer des monolithes à porosité et fonctionnalité hiérarchiques en tant que réacteurs à flux continu pour les technologies de catalyse, de séparation ou de remédiation. Pour ces applications, les réacteurs monolithiques ont démontré de meilleures performances par rapport aux réacteurs à lit plus classiques. Cependant, ces réacteurs monolithiques bénéficieraient encore d'un meilleur contrôle de leurs structuration poreuses à l’échelle macroscopique et de nouvelles stratégies de gainage. Avec des résolutions de l’ordre de la dizaine de micromètres et un contrôle microstructural polyvalent, l'impression 3D directe de matériaux mésoporeux à partir de blocs élémentaires de taille nanométrique offre des solutions attractives à ces limitations.

Pour atteindre ses objectifs, HAMMAM prévoit trois développements majeurs:

(i) l'extension de la stratégie d'encre PLIC à une plus grande variété de matériaux et de compositions. Sur la base de la synthèse sol-gel de cages de silice dirigées par des micelles de tensioactifs, d'autres oxydes tels que des nanostructures mésoporeuses d'aluminosilicate et leur fonctionnalisation ultérieure avec des sites catalytiques (ex : Ni, ReO) sont principalement visés.

(ii) le développement d'une technique d'impression 3D innovante pour un contrôle localisé de la microstructure du matériau. Cette technique permettra la fabrication de monolithes avec des structures de gainage intégrées, rendant possible leur utilisation à des températures élevées dans des applications catalytiques.

(iii) la mise en œuvre de la porosité hiérarchique (méso/macro) et des fonctionnalités (sites réactifs séquentiels) dans des réacteurs individuels monolithiques. L'approche de fabrication par impression 3D permettra un contrôle fin sur les paramètres du monolithe, notamment sa perméabilité et le temps de contact du fluide avec les matériaux catalytiques.

Le potentiel de ces monolithes mésoporeux avancés hiérarchiques pour les applications à écoulement continu sera démontré par la production catalytique de propylène à partir d'éthylène via des réactions en cascade. Compte tenu de la demande mondiale toujours croissante en propylène, sa production efficace à partir de ressources alternatives et plus durables est d'une grande importance pour l'industrie chimique.

Le financement demandé pour ce projet comprend le recrutement d'un doctorant pour exécuter les tâches de recherche. HAMMAM est aussi l'occasion de fédérer l'expertise et les intérêts d'une jeune équipe de chercheurs de l'ICGM, et d'initier une nouvelle dynamique de recherche avec cette équipe.