Capture du CO₂ dans les matériaux poreux : étude innovante par RMN ¹⁷O

CO₂ Capture in Porous Materials: An Innovative Study Using ¹⁷O NMR

• Auteur / Autrice : Imane El bakkali
• Direction : Frédérique Pourpoint, Olivier Lafon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie des materiaux - UCCS
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : RM21

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux poreux

Spectroscopie RMN du solide

Adsorption de gaz

Stockage du CO₂

Porous materials

Solid-state NMR spectroscopy

Gas adsorption

CO₂ storage

Résumé

La teneur en CO₂ de l'atmosphère joue un rôle majeur dans le changement climatique, en contribuant à l'augmentation des températures moyennes, à la réduction de la couverture neigeuse et à l'acidification des océans. Pour contrer ces effets, il est crucial de capturer le CO₂ directement à la source, par exemple dans les installations industrielles. Les composés de type MOF (metal-organic frameworks) émergent comme des adsorbants prometteurs grâce à leurs surfaces spécifiques élevées et à leurs structures modulables, idéales pour l'adsorption et le stockage du gaz. Mais les mécanismes d'adsorption du CO₂ dans les MOF ainsi que les modifications structurales liées à cette adsorption sont encore mal comprises. Dans ce projet, nous proposons d'appliquer des outils analytiques avancés comme la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide afin de caractériser les défauts présents dans les MOF en présence de gaz, mais également pour mettre en évidence les interactions entre le CO₂ et les MOF. De plus, bien que le noyau ¹³C soit couramment utilisé, le noyau ¹⁷O offre des avantages uniques pour la spectroscopie RMN. Ce noyau a encore un potentiel inexploité en raison de sa faible abondance naturelle (0,04 % contre 1,1 % pour le ¹³C) et de l'élargissement des signaux dû à l'interaction quadripolaire (spin I=5/2). Pour contourner ces difficultés, lors de cette thèse nous proposons d'enrichir les composés en ¹⁷O mais également d'utiliser des spectromètres RMN à très hauts champs pour augmenter la résolution. Cette approche pourrait transformer notre compréhension de l'adsorption du CO₂ dans les MOF.

The CO₂ content in the atmosphere plays a major role in climate change, contributing to rising average temperatures, reduced snow cover, and ocean acidification. To counter these effects, it is crucial to capture CO₂ directly at the source, for example in industrial facilities. Metal-organic frameworks (MOFs) are emerging as promising adsorbents due to their high specific surface areas and tunable structures, making them ideal for gas adsorption and storage. However, the mechanisms of CO₂ adsorption in MOFs, as well as the structural changes associated with this adsorption, are still poorly understood. In this project, we propose to apply advanced analytical tools such as solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) to characterize the defects present in MOFs in the presence of gas, as well as to reveal the interactions between CO₂ and MOFs. Moreover, while the ¹³C nucleus is commonly used, the ¹⁷O nucleus offers unique advantages for NMR spectroscopy. This nucleus remains underexploited due to its low natural abundance (0.04% compared to 1.1% for ¹³C) and the signal broadening caused by quadrupolar interactions (spin I = 5/2). To overcome these challenges, in this PhD project we propose to enrich the compounds with ¹⁷O and to use very high-field NMR spectrometers to increase resolution. This approach could transform our understanding of CO₂ adsorption in MOFs.