Contrôle mécanique de la porosité pour une modulation à souhait des propriétés de captage et de séparation moléculaire – MeaCoPA

Énergie, environnement, santé… les solides nanoporeux jouent aujourd’hui un rôle clé dans l’industrie. Ils peuvent capter, stocker et libérer diverses molécules en phase liquide ou gazeuse par un phénomène d’adsorption. Les matériaux hybrides poreux de type MOFs présentent la particularité d’être adaptatifs sous l’effet de l’adsorption de par la flexibilité remarquable de leur structure qui permet une modulation de la taille et de la forme des pores selon la nature de la molécule confinée. Cette flexibilité qui dans certains cas extrêmes se manifeste par une respiration de la charpente associée à des variations de volume de plus de 50%, conduit à des phénomènes d’adsorption et de séparation inhabituels qui offrent des perspectives nouvelles pour le développement de techniques innovantes dans ce domaine. La flexibilité de ces solides peut être aussi contrôlée par l’application d’une contrainte mécanique. Les travaux rapportés à ce jour ne font cependant état que du contrôle d’une seule de ces variables, adsorption ou pression externe, pour moduler la porosité de ces matériaux.
Dans ce contexte, ce projet se propose d’évaluer pour la première fois le couplage pression mécanique/adsorption pour un contrôle maitrisée des propriétés de stockage et de captage sélectif de cette famille de matériaux flexibles. Cet effet synergique offre une opportunité unique de créer de nouveaux concepts visant à améliorer les techniques d’adsorption utilisés jusqu’ici. Il s’agit notamment d’imaginer de nouveaux procédés de séparation par exclusion de tailles, effet entropique ou cinétique en modulant à souhait la forme et la taille des pores de la charpente par l’application d’une pression externe.
Les avancées techniques et scientifiques de ce projet devraient conduire à des percées majeures dans le domaine de l’adsorption appliquée à des sujets sociétaux majeurs liées à l’environnement et l’énergie comme le captage de CO2, le stockage de gaz naturel et la séparation de certaines molécules à fort intérêt dans l’industrie pétrochimique.
Pour répondre aux défis posés par ce projet ambitieux, nous mettrons en œuvre une approche pluridisciplinaire intégrant pas à pas le développement de nouvelles méthodologies expérimentales couplées à des outils novateurs de simulations moléculaires de façon à non seulement créer, tester et valider les concepts innovants que nous avons l’objectif de découvrir et de proposer par la suite à de potentiels utilisateurs. Cet effort sans précédent consistera à construire notamment un prototype à l’échelle du laboratoire pour permettre les mesures d’adsorption tout en contrôlant la pression mécanique exercée sur le système. Une cellule spécifiquement dédiée aux analyses structurales en pression mécanique sera par ailleurs développée pour suivre les évolutions des solides en présence des adsorbats. Des techniques de modélisation moléculaire seront adaptées à la complexité de l’étude des solides flexibles de façon à anticiper les conditions expérimentales optimales dans lesquelles devront être menées les mesures d’adsorption pour les diverses applications visées.
MeaCoPA regroupe quatre groupes aux compétences complémentaires et reconnues internationalement dans le domaine de la synthèse de MOFs (Institut des Matériaux Poreux de Paris, C. Serre), de l’adsorption (Matériaux Divisés, Interfaces, Réactivité, Electrochimie Marseille, P. Llewellyn), de la caractérisation structurale sous pression (Institut Charles Gerhardt Montpellier–ICGM, P. Yot) et de la modélisation moléculaire (ICGM, G. Maurin et Institut Physique de Rennes, A. Ghoufi), le groupe de l’ICGM assurant la coordination (G. Maurin). Ces équipes travaillent ensemble depuis de nombreuses années au sein d’un laboratoire sans mur ont le savoir-faire requis pour contribuer à des avancées majeures dans ce projet de rupture qui répond aux priorités de l’axe Défi 10.