Etude des performances de matériaux hybrides MOFs pour le captage de COVs

Probing the performances of MOFs for VOCs recovery

• Auteur / Autrice : Arnaud Planchais
• Direction : Sabine Devautour-Vinot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabine Devautour-Vinot, Guy De Weireld, Aziz Ghoufi, Fabrice Salles, Bogdan Kuchta, Philippe Trens
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guy De Weireld, Aziz Ghoufi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés organiques volatils

Adsorption

Metal-organic frameworks

Mots clés libres

Mof

Adsorption

Simulation moléculaire

Composés organiques volatils

Caractérisation expérimentale

Diffusion

Mof

Adsorption

Modeling

Volatile organic compounds

Experimental characterization

Diffusion

Résumé

Ce travail est une contribution à la compréhension des performances de matériaux hybrides poreux de type MOFs pour le captage de benzène, dans le cadre de la lutte contre les émissions de Composés Organiques Volatils (COVs) à partir de procédés basés sur l'adsorption d'effluents gazeux. Dans ce but, nous avons couplé diverses techniques expérimentales (spectroscopie d'impédance complexe, diffraction des rayons X, manométrie d'adsorption, …) à des simulations moléculaires (calculs basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité, Monte Carlo ou Dynamique Moléculaire) pour étudier ces matériaux en termes de capacité et de mécanisme d'adsorption. Différentes familles de MOFs ont été sélectionnées afin d'analyser l'impact de diverses caractéristiques de ces matériaux, comme la flexibilité du réseau, la présence de cations extra-réseau et la nature chimique des ligands organiques, sur leurs propriétés d'adsorption de benzène. Par ailleurs, l'eau étant souvent considérée comme un facteur limitant lors de l'adsorption sélective d'une espèce à partir d'effluents gazeux chargés d'humidité, nous avons également envisagé l'étude de cet adsorbat seul, avant d'explorer la co-adsorption de mélanges benzène/eau dans des proportions différentes. Une rationalisation des données nous a permis de conclure que certains des matériaux explorés présentent une sélectivité benzène/eau intéressante pour envisager leur utilisation potentielle dans le cadre du captage de traces.

The Metal Organic Frameworks (MOFs), a recent class of hybrid porous solids, appears as valuable candidates for various applications related to their sorption abilities. The optimization of their performances requires a control of the parameters that govern the adsorption process, including the confined species/MOF interactions and the synergic dynamics of the system. In this context, experimental tools (Complex Impedance Spectroscopy, X Ray Diffraction, volumetric adsorption…) were combined with molecular simulations (Density Functional Theory, Monte Carlo and Molecular Dynamics calculations) to explore the benzene adsorption of MOFs in terms of capacity and microscopic mechanism. Different series of MOFs were selected to address the impact of various features, including the lattice flexibility, the presence of extra-framework cations and the ligand functionalization, on their adsorption performances. Benzene and water were considered as adsorbents separately, before exploring the co-adsorption of various benzene/water mixtures. The rationalization of the data allowed us to understand why some of the selected solids, showing interesting benzene/water selectivity, are likely to be used for the capture of benzene traces in humid conditions.