Synthèse et caractérisation de matériaux microporeux : vers un adsorbant modulable et un matériau modèle simple pour l'étude de déformations induites par l'adsorption en milieu microporeux

Synthesis and characterization of microporous materials : towards a versatile adsorbent and a simple model material for the study of adsorption-induced deformation in microporous media

• Auteur / Autrice : Benhur Mekonnen
• Direction : Joachim Allouche, David Gregoire
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 23/09/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Déformation induite par adsorption

Sol-gel

Revêtement au trempé

Dépôt électrochimique

Polymères hyper-réticulés

Dip-coating

Adsorption induced deformation

Sol-gel

Electrochemical deposition

Hypercrosslinked polymers

Résumé

D'après les recommandations de l'IUPAC, la dimension des pores dans les matériaux poreux est catégorisée en trois groupes, selon le diamètre des pores : les macropores de largeur supérieure à 50 nm, les mésopores de largeur comprise entre 2 et 50 nm et les micropores de largeur inférieur à 2 nm. Les zéolithes, le charbon actif,les roches compactes, les roches de charbon, les roches de source, l'argile, les matériaux cimentaires et les biomatériaux sont parmi ces matériaux. Dans les années récentes, une attention majeure a été portée sur les matériaux microporeux du fait que le ratio surface-sur-volume (i.e., surface spécifique)augmente avec la diminution de la taille des pores. Par conséquent, ces matériaux sont capables de piéger une quantité importante de molécules de fluides en tant que phase adsorbée. Cela est important pour des application tel que la récupération de pétrole, le stockage de gaz, la séparation, la catalyse ou l'administration de médicaments. Pour ces matériaux microporeux, une déviation par rapport à la poromécanique standard est attendu. Dans les pores de dimension nanométrique, les molécules de fluide sont en confinement. Cet effet appelé le compactage moléculaire induit une addition des interactions fluide-fluide et fluide-solide au niveau des pores et a une conséquence significative à l'échelle macroscopique, tel qu'une déformation instantanée. De nombreux matériaux poreux synthétiques ou naturels présentent une double porosité : une microporosité où le fluide est piégé en tant que phase adsorbé et une méso ou macroporosité nécessaire pour assurer le transport des fluides vers et en dehors des pores de tailles plus petites. Si l'adsorption dans les nanopores induit une déformation instantanée à une échelle plus grande, le gonflement de la matrice pourrait bloquer la porosité permettant le transport, et ainsi diminuer la perméabilité générale du système poreux, voir annuler la fonctionnalité du matériau élaboré. On propose un nouveau cadre de poromécanique amélioré permettant la prédiction de la déformation induite par adsorption dans les matériaux micro et mésoporeux et la tâche à réaliser consiste à synthétiser des matériaux micro/mésoporeux mono/polydisperse avec des caractéristiques contrôlées afin d'évaluer les modèles proposés dans une configuration simple et contrôlée.

Following the IUPAC recommendation, the pore space in porous materials is divided into three groups according to the pore size diameters: macropores of widths greater than 50nm, mesopores of widths between 2 and 50nm and micropores of widths less than 2nm. Zeolites, activated carbon, tight rocks, coal rocks, source rocks, clay, cementitious materials and biomaterials are among these materials. In recent years, a major attention has been paid on these microporous materials because the surface-to-volume ratio (i.e., the specific pore surface) increases with decreasing characteristic pore size. Consequently, these materials can trap an important quantity of fluid molecules as an adsorbed phase. This is important for applications in petroleum and oil recovery, gas storage, separation, catalysis or drug delivery. For these microporous materials, a deviation from standard poromechanics is expected. In nanometer-scale pores, the molecules of fluid are confined. This effect, denoted as molecular packing, induces that fluid-fluid and fluid-solid interactions sum at the pore scale and have significant consequences at the macroscale, such as instantaneous deformation. A lot of natural and synthesised porous media are composed of a double porosity: the microporosity where the fluid is trapped as an adsorbed phase and a meso or a macro porosity required to ensure the transport of fluids to and from the smaller pores. If adsorption in nanopores induces instantaneous deformation at a higher scale, the matrix swelling may close the transport porosity, reducing the global permeability of the porous system or annihilating the functionality of synthesised materials. A new enhanced poromechanics framework is proposed allowing the prediction of adsorption-induced deformation in micro and mesoporous materials and the aim of the work is to synthesize mono and poly-disperse micro/mesoporous media with controlled characteristics in order to assess the proposed models in simple and controlled configurations.