DS0303 - Matériaux et procédés

Transport et Adsorption dans les Matériaux Poreux Multiéchelles – TAMTAM

Transport et Confinement dans les Matériaux Poreux

Transport et Adsorption Multiéchelles dans les Matériaux Poreux

Un problème multiéchelles combinant aspects moléculaires et macroscopiques

Les matériaux poreux hiérarchisés, combinant plusieurs porosités, sont très utilisés dans l’industrie (adsorption, séparation, catalyse) pour contourner la diffusion lente dans les solides microporeux (< 2 nm) et augmenter l’accès à leur large surface. Les bénéfices de la combinaison de porosités par l’ajout de méso (2-50 nm) et macro (> 50 nm) pores à la microporosité ont été démontrés mais l’ingénierie de ces solides, qui sont hétérogènes en taille, forme et connectivité, repose toujours sur des stratégies « essais-erreurs ». Les approches de design existantes, même lorsqu’elles reposent sur un socle physique, sont limitées à des paramètres empiriques qui ne peuvent être dérivés à partir des coefficients moléculaires d’adsorption/transport. Ce projet vise à développer un modèle bottom up de l’adsorption et du transport dans des matériaux poreux multiéchelles en couplant expérience, simulation moléculaire et théorie. Cette stratégie multiéchelle fournira un cadre compréhensif de l’adsorption/transport dans des milieux poreux pour permettre le design d’échantillons optimaux pour une application donnée reposant sur des paramètres accessibles à partir d’expériences simples.

Grâce à l’emploi de méthodes théoriques et expérimentales appliquées à des solides hiérarchisés ayant des propriétés contrôlées, notre modèle permettra le design d’adsorbants optimaux pour l’intensification des procédés. Les approches moléculaires, au cœur de ce projet, permettront de dépasser les barrières qui ont empêché l’émergence d’un formalisme multiéchelle : invalidité de l’hydrodynamique à l’échelle ~nm, couplage adsorption/transport. Les forces de ce projet sont : (1) Utilisation de solides avec des porosités, morphologies, etc. contrôlées obtenus par synthèse pseudomorphique. (2) Etude expérience/théorie de l’adsorption/transport dans des solides hiérarchisés (RMN à gradient de champ pulsé, chromatographie, simulation moléculaire, etc.). (3) Passage d’échelle rigoureux via la Mécanique Statistique pour connecter les paramètres moléculaires à ceux de l’ingénierie sans perdre l’information de la plus petite échelle.

Notre projet a permis la mise au point de synthèses de nouveaux monolithes macroporeux (pores jusqu’à 20 µm) dont le squelette est composé de nanocristaux (200 nm) zéolithiques (micropores ~0,8 nm) permettant d’intensifier les procédés en augmentant les capacités d’adsorption en flux et en augmentant les cinétiques d’adsorption grâce à la création de mésoporosité entre les nanocristaux. Les monolithes FAU-X ont été utilisés avec succès en flux continu pour le piégeage dans l’eau du Cs, un des principaux cations contenus dans les eaux radioactives des catastrophes nucléaires (Fukushima).

Au fur et à mesure de nos avancées, de nouvelles questions sont apparues et de nouvelles pistes se sont ouvertes à nous. Ainsi, en parallèle de nos accomplissements majeurs, typiquement la mise en place d’une synthèse de monolithes poreux hiérarchisés, ce projet mériterait d’être continué plus en aval. En particulier, certains chercheurs impliqués dans le projet TAMTAM poursuivent leurs efforts dans le développement de ces matériaux et leurs applications.

Nous avons développé une voie de synthèse de solides nanoporeux (zéolithiques) hiérarchisés qui pourraient avoir un impact dans de nombreux domaines tels que la séparation de phase, la catalyse, etc. A l’aide de ces solides, la compréhension obtenue en combinant expérience/théorie a permis d’identifier les paramètres contrôlant l’adsorption et le transport de fluides dans leur porosité hiérarchique. Ce savoir permet d’envisager – après de plus amples études – le développement d’un design rationnel de cette nouvelle classe de matériaux. Le projet TAMTAM a conduit à 16 articles scientifiques dans des revues internationales (dont 6 en préparation). Le travail issu de ce consortium travaillant autour de l’adsorption et transport multi-échelles des fluides nanoconfinés a été présenté lors de 13 conférences nationales et internationales.

Les matériaux poreux hiérarchisés, combinant plusieurs porosités, sont très utilisés dans l’industrie (adsorption, séparation, catalyse) pour contourner la diffusion lente dans les solides microporeux (< 2 nm) et augmenter l’accès à leur large surface. Les bénéfices de la combinaison de porosités par l’ajout de méso (2-50 nm) et macro (> 50 nm) pores à la microporosité ont été démontrés mais l’ingénierie de ces solides, qui sont hétérogènes en taille, forme et connectivité, repose toujours sur des stratégies « essais-erreurs ». Les approches de design existantes, même lorsqu’elles reposent sur un socle physique, sont limitées à des paramètres empiriques qui ne peuvent être dérivés à partir des coefficients moléculaires d’adsorption/transport. En particulier, les approches disponibles ne permettent pas de développer un modèle bottom up de l’adsorption/transport dans des matériaux multiéchelles puisqu’elles (1) ne décrivent que de manière empirique le couplage adsorption/transport, (2) ne prennent pas en compte l’invalidité de l’hydrodynamique à l’échelle du nm et (3) ne sont pas multiéchelles par nature.

Ce projet vise à développer un modèle bottom up de l’adsorption et du transport dans des matériaux poreux multiéchelles en couplant expérience, simulation moléculaire et théorie. Cette stratégie multiéchelles fournira un cadre compréhensif de l’adsorption/transport dans des milieux poreux pour permettre le design d’échantillons optimaux pour une application donnée reposant sur des paramètres accessibles à partir d’expériences simples. Ces échantillons seront synthétisés et testés pour valider définitivement notre nouveau formalisme. Grâce à l’emploi de la Mécanique Statistique et d’expériences d’adsorption, de RMN et de chromatographie pour des solides hiérarchisés ayant des propriétés contrôlées (synthétisés « à façon »), ce modèle permettra le design d’adsorbants optimaux pour l’intensification des procédés. Les approches moléculaires, au cœur de ce projet, permettront de dépasser les barrières qui ont empêché l’émergence d’un formalisme multiéchelle : invalidité de l’hydrodynamique à l’échelle ~nm, couplage adsorption/transport et problème du passage d’échelles. Les forces de ce projet sont : (1) Utilisation de solides avec des porosités, morphologies, etc. contrôlées obtenus par synthèse pseudomorphique. Ceci permettra d’étudier l’adsorption/transport à chaque étape de la synthèse (macro, macro + méso, macro + micro, macro + méso + micro). (2) Etude expérience/théorie de l’adsorption/transport dans des solides hiérarchisés (RMN à gradient de champ pulsé, chromatographie, simulation moléculaire, etc.). (3) Passage d’échelle rigoureux via la Mécanique Statistique pour connecter les paramètres moléculaires à ceux de l’ingénierie sans perdre l’information de la plus petite échelle. L’emploi de données prennant explicitement en compte les différents régimes d’adsorption/transport lorsque l’on varie la pression, la taille des pores, etc., permettra de ne pas reposer sur l’hydrodynamique et ainsi de ne pas supposer un type d’adsorption/flux donné.

Ce projet multidisciplinaire combine les compétences expérimentales/théoriques qui mèneront à un changement de paradigme pour relever un important défi industriel : design rationnel de matériaux hiérarchisés pour la filtration et la séparation. Particulièrement pertinent pour le DEFI 3, ce projet stimulera l’émergence de procédés pour la séparation industrielle (propylène/propane, CO2/CH4), purification (déshydratation EtOH, purification H2) et capture (CO2 et MeOH, NH3 des effluents), etc. Les percées attendues sont : (1) Etendre les développements de la nanofluidique à l’adsorption/transport dans des milieux multiéchelles, (2) Développer un formalisme pour le design rationnel d’adsorbants sur la base de paramètres structuraux simples. (3) Utiliser la richesse inexploitée des phénomènes à l’échelle ~nm (glissement, transport non linéaire, etc.) pour améliorer l’efficacité des procédés.

Coordination du projet

Benoit COASNE (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (UMR5588))

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

Université Pierre et Marie Curie / UPMC Chimie de la Matière Condensée de Paris (UMR7574)
CNRS DR12_MADIREL Centre National de la Recherche Scientifique délégation Provence et Corse_Matériaux Divisés, Interfaces, Réactivité et Electrochimie (UMR7246)
ICGM Institut Charles Gerhardt Montpellier (UMR 5253 CNRS/UM/ENSCM), Equipe Matériaux Avancés pour la Catalyse et la Santé
LIPHY Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (UMR5588)

Aide de l'ANR 466 956 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 48 Mois

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