DS0206 - Efficacité énergétique des procédés et des systèmes

Nouvelles stratégies pour la capture efficace de carbone par les réseaux organométalliques à l'aide des methodes de calcul – Computationalcarboncapture

Prévision de nouveaux MOFs pour le développement de technologies efficaces de capture du carbone

Le dioxyde de carbone généré par la combustion des combustibles fossiles est un facteur majeur du changement climatique. À cet égard, la mise en place de technologies efficaces pour la capture du carbone permettra l'utilisation des combustibles fossiles à court terme, pendent que les ressources énergétiques renouvelables remplace progressivement notre infrastructure existante.

Prédiction computationelle de MOFs avec une réduite pénalité énergétique

Nous proposons de développer des nouveaux MOFs qui peuvent capter le CO2 de manière plus efficace par rapport aux matériaux existants en appliquant des stratégies originales. Plus précisément, nous proposons de développer des matériaux dont l'affinité pour le CO2 peut être modifiée sous irradiation lumineuse ou par chauffage de sorte que l'adsorption et la désorption peuvent être effectuées chacune dans les conditions les plus appropriées, permettant d'atteindre une efficacité énergétique élevée et donc un coût limité. Nous étudierons deux familles de MOF à cet effet, I) MOF photo actifs, dont la topologie des pores est modifiée par un traitement UV ou UV et II) des MOF avec spin crossover, dont l'interaction avec le CO2 change en raison de la transition électronique induite par la température.

Nous adopterons plusieurs méthodes complémentaires telles que la DFT, la dynamique moléculaire ab initio, la théorie des perturbations à plusieurs corps, le Monte Carlo grand canonique et la dynamique moléculaire classique. Nous allons caractériser l'interaction entre le CO2 et les composants spécifiques des MOFs, la géométrie de liaison et nous étudierons le mécanisme d'isomérisation des molécules photo actives à l'intérieur du MOF en utilisant des méthodes d'état excité. Nous étudierons la transition de spin crossover et le mécanisme d'absorption de carbone au niveau moléculaire afin de caractériser la thermodynamique de capture du CO2 pour un développement industrielle future.

Nous avons étudié les deux familles de MOFs. En ce qui concerne les MOF avec transition de spin, nous avons prédit l'interaction et la configuration du CO2 pour trois centres métalliques d'un MOF de type Hofman et nous avons caractérisé les propriétés magnétiques en utilisant une combinaison d'expériences et théorie. La compréhension acquise au cours de cette première étude initiale sera utilisée pour continuer le reste du projet.
En ce qui concerne les MOFs photo actifs, nous avons calculé l'isotherme d'adsorption en utilisant DFT et Monte Carlo grand canonique pour le MOF PCN-123 après et avant le traitement avec lumière. Pour la première fois, nous pourrions fournir une compréhension claire et détaillée du travail expérimental pionnier publie par Park et al [JACS 123, 99, 2012] où la variation significative de l'adsorption de CO2 par ce MOF lors de l'irradiation lumineuse a été observée pour la première fois. Nous expliquons les expériences en démontrant que la différence d'absorption résulte du blocage des sites d'adsorption à partir de la conformation cis des molécules photo actives ancrées dans le MOF. Nous montrons également l'importance de prendre bien en compte l'isomérisation d'une molécule dans un MOF.
Ce travail a été réalisé en collaboration avec l'Université de l'Ohio (Li-Chiang Lin) deux post-doctorants (Azzam Charaf-Eddin et Chi-Ta Yang) et ILL (Alberto Rodriguez Velamazan).

En ce qui concerne l'étude des MOF photo actifs, nous continuerons à étudier le MOF PCN-123 pour quelques substitutions métalliques afin de prédire le MOF avec la plus grande capacité d'absorption. Nous étudierons également deux autres familles de MOFs qui n'ont pas encore été utilisées comme cadres pour la fonctionnalisation des molécules photosensibles, mais qui sont très prometteuses pour une capture efficace du carbone (IRMOF-74-II et IRMOF-74-III). Nous développerons également le projet sur les MOF de transition de spin qui est encore dans sa phase initiale.

Nous avons commencé à écrire un manuscrit sur les résultats obtenus jusqu'à présent sur le clathrate de type Hofman. Nous avons l'intention de le soumettre au Journal of Physical Chemistry C.
Après avoir terminé les calculs de l'absorption de CO2 par les isomères cis et trans dans le MOF photoactif PCN-123, nous écrirons les résultats dans un manuscrit que nous avons l'intention de soumettre au Journal of American Chemical Society. La nouveauté du résultat justifie sa publication dans un Journal avec est impact si élevée.

Le dioxyde de carbone générées par la combustion de combustibles fossiles pour la production de chaleur et d'électricité est un contributeur majeur au changement climatique. Bien que de grands efforts et investissements sont en cours pour augmenter l'utilisation des énergies renouvelables et pour améliorer l'efficacité de la conservation des ressources de combustibles fossiles, le changement climatique exige une contribution importante de la capture et la séquestration du carbone. Plusieurs technologies et des matériaux différents ont été étudiés au cours des 10 dernières années dans ce but. Néanmoins, aucune solution définitive a été obtenue principalement en raison de leur faible efficacité énergétique.
Nous proposons d'aborder le problème de la capture du carbone en utilisant des stratégies originales. Nous proposons de developper des nouveaux MOFs (metal-organic frameworks) dont l'affinité pour le CO2 peut être modifié sous irradiation lumineuse ou par chauffage, de sorte que l'adsorption et la désorption peuvent être effectuées chaque aux conditions les plus avantageuses, permettant d'atteindre une efficacité énergétique élevée et un coût limité. Nous allons adopter plusieurs méthodes complémentaires tels que la DFT, la dynamique moléculaire ab initio, la théorie des perturbations à plusieurs corps, grand canonical Monte Carlo et la dynamique moléculaire classiques pour étudier le mécanisme d'adsorption au niveau moléculaire et pour caractériser le processus de capture a niveau industriel.
La première classe de MOFs étudiés sont les MOF photo-actives. Il s'agit de molécules photo-actives ancrés de façon covalente sur la surface interne du MOF de telle sorte que la capture et la désorption du gaz peuvent être obtenus par l'ouverture et la fermeture des pores, lors de l'excitation par la lumière. De cette façon, l'adsorption plus faible obtenu apres traitement par la lumière permettra une énergie de désorption réduite. Seulement quelques-uns d'entre eux ont été synthétisés au cours des 5 dernières années et leur efficacité dans la capture du CO2 était si pauvre que on ne trouve pas d'autres matériaux dans la littérature plus récente. Nous proposons ici de modifier des matériaux existants afin d'atteindre une performance sans précédent. Nous allons remplacer les composants des MOFs existants avecs des metaux et ligands ad hoc et montrer que pour ces matériaux atteindre un rendement élevé est possible. Pour ce faire, nous allons caractériser le mécanisme de liaison du CO2, le mécanisme d'isomérisation sous traitement lumière et l'isotherme d'adsorption avant et après irradiation de lumière.
La seconde classe de MOF sont les spin-crossover MOFs. Ceux-ci contiennent des sites de métaux de transition qui subissent une modification de leur configuration électronique en fonction de la température. Ici, nous proposons d'utiliser ce mécanisme, pour la première fois, pour obtenir des nouveaux matériaux dont l'affinité pour le CO2 peut être considérablement réduite avec la température, ce qui réduit le coût du procédé. Bien que ce mécanisme n'a pas été explorée auparavant dans le contexte de la capture du carbone, quelques MOFs avec transition de spin ont déjà été synthétisés. Notre stratégie consiste à modifier ces MOFs de telle sorte que le processus pourrait être utilisé pour la capture industrielle du CO2. Cela exige l'étude de la température de transition de spin, l'hystérésis, le mécanisme de liaison et la thermodynamique de l'adsorption en fonction de température et pression du gaz. Les propriétés de diffusion et la sélectivité par rapport a N2 seront calculés. Bien que ceci est un travail avec une approche entierement computationnelle, nous avons des collaborations en cours et sommes en contact avec des groupes expérimentaux intéressées par ces matériaux. La compréhension développé lors de ce travail motivera leur effort de synthèse avenir et ouvrira la voie à de nouveaux champs de recherche basés sur ces matériaux .

Coordinateur du projet

Madame Roberta Poloni (Laboratoire de Science et Ingénierie des MAtériaux et Procédés)

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

SIMaP Laboratoire de Science et Ingénierie des MAtériaux et Procédés
Institut Neel Institut Neel
Delft University of Technology Delft University of Technology

Aide de l'ANR 278 103 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2015 - 48 Mois

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