Modélisation de l'adsorption de CO2 dans les phases désordonnées des réseaux métallo-organiques (MOF)

par Nicolas Castel

Projet de thèse en Chimie Physique

Sous la direction de François-Xavier Coudert.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre , en partenariat avec Institut de Recherche de Chimie Paris (laboratoire) , Chimie Organométallique et Catalyse de Polymérisation (COCP) (equipe de recherche) et de Chimie ParisTech / École Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP) (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-09-2020 .


  • Résumé

    Pour atteindre la neutralité carbone au cours du 21e siècle, des émissions négatives seront nécessaires. La capture et le stockage du CO2 (CCS) en sont une source importante dans la majorité des scénarios du GIEC et de l'Agence Internationale de l'Énergie. [1] Il est présent dans la Stratégie Nationale Bas-Carbone (SNBC) et dans les visions stratégiques de long terme de la Commission européenne. Les principales voies technologiques se concentrent sur les sources de CO2 non diluées que sont les émissions contraintes de l'industrie (cimenteries, sidérurgie, etc.) et celles causées par la production d'énergie thermique (biomasse pour les émissions négatives) avec des installations pouvant être montées en sortie d'usine (postcombustion). Cependant les coûts, énergétiques et monétaires, de la première génération restent importants et dominent largement la chaine captage, transport, stockage. [2] Les réseaux métallo-organiques (MOF) constituent une nouvelle famille de matériaux nanoporeux qui peuvent être personnalisés pour adsorber du CO2 , et alors présenter des jeux de caractéristiques inédits et des performances dépassant celles des matériaux nanoporeux traditionnels. [3] Afin de faciliter leur intégration dans les procédés de capture et de préparer le passage à l'échelle industrielle, une piste consiste à s'intéresser aux phases désordonnées (liquides et verres) de ces matériaux, encore peu étudiées, mais plus robustes et stables. [4] La thèse vise à poursuivre les travaux avant-gardistes du groupe de François-Xavier Coudert [5] dans la compréhension intrinsèque de ces phases, en mettant en cohérence les modèles numériques existants et en proposant une méthodologie de simulation. Cela permettra ensuite d'identifier les caractéristiques qui déterminent la capacité d'adsorption du CO2 dans les procédés industriels envisagés. Ces résultats devraient finalement permettre d'optimiser les matériaux existants et d'identifier de nouvelles compositions prometteuses. [6] Une collaboration étroite avec le groupe de Thomas Bennett (Cambridge), en pointe sur la synthèse et la caractérisation complexe des MOF amorphes, permettra de systématiquement comparer simulations et faits expérimentaux. [1] International Energy Agency (IEA), «World Energy Outlook,» 2019. [2] M. Bui & Al., “Carbon capture and storage (CCS): The way forward,” Energy and Environmental Science, 2018. [3] K. Sumida & Al., "Carbon dioxide capture in metal-organic frameworks," Chemical Reviews, 2012. [4] T. D. Bennett and S. Horike, "Liquid, glass and amorphous solid states of coordination polymers and metal–organic frameworks," Nature Reviews Materials, 2018. [5] R. Gaillac, P. Pullumbi, K. A. Beyer, K. Chapman, D. A. Keen, T. D. Bennett and F. X. Coudert, "Liquid metal–organic frameworks," Nature Materials, 2017. [6] F. X. Coudert and A. H. Fuchs, "Computational characterization and prediction of metal-organic framework properties," Coordination Chemistry Reviews, 2016.

  • Titre traduit

    Simulation of CO2 adsorption in amorphous metal–organic frameworks (MOFs)


  • Résumé

    Negative emissions are needed to achieve carbon neutrality in the course of the 21st century. CO2 capture and sequestration (CCS) make for an important source of such emissions in most scenarios produced by the IPCC and the IEA. [1] CCS plays a role in the French low carbon national strategy (SNBC) and the long-term strategic visions of the European Commission. The prevalent technological approaches focus on undiluted CO2 sources, such as the emissions of industrial processes (cement, steel, etc.) or thermal power plants (BECCS), with end-of-pipe installations (post combustion). Yet, both the energy and financial costs of the first generation are significant and far outweigh the transport and sequestration costs. [2] Metal-organic frameworks (MOFs) are a new class of nanoporous materials that can be rationally designed to adsorb CO2, displaying an unprecedented set of characteristics and strong performances. [3] An approach towards the facilitation of their integration in capture processes and anticipation of an industrial upscaling is the study of the amorphous phases (liquids and glasses) of these materials, more robust and stable than their crystalline counterparts. [4] This PhD will build on the groundbreaking work of FX Coudert's group [5] in the understanding of these phases, to establish consistency between coexisting construction techniques of molecular models. Methodologies to compute relevant quantities for CO2 adsorption will then developed and aim at helping the optimization of exisiting materials or the identification of promising compositions. [6] A close collaboration with Thomas Bennet's group (Cambridge), pioneering the synthesis and characterization of amorphous MOF, will ensure a systematic comparison of simulation results and experimental facts. [1] International Energy Agency (IEA), «World Energy Outlook,» 2019. [2] M. Bui & Al., “Carbon capture and storage (CCS): The way forward,” Energy and Environmental Science, 2018. [3] K. Sumida & Al., "Carbon dioxide capture in metal-organic frameworks," Chemical Reviews, 2012. [4] T. D. Bennett and S. Horike, "Liquid, glass and amorphous solid states of coordination polymers and metal–organic frameworks," Nature Reviews Materials, 2018. [5] R. Gaillac, P. Pullumbi, K. A. Beyer, K. Chapman, D. A. Keen, T. D. Bennett and F. X. Coudert, "Liquid metal–organic frameworks," Nature Materials, 2017. [6] F. X. Coudert and A. H. Fuchs, "Computational characterization and prediction of metal-organic framework properties," Coordination Chemistry Reviews, 2016.