Respiration d’un matériau poreux induite par l’application d’un champ électrique : Application à la séparation complète de gaz.

Les matériaux de type Metal-Organic Frameworks (MOFs) sont des matériaux poreux présentant des pores nanométriques. Parmi l’ensemble de leurs propriétés physico-chimiques leur flexibilité est celle qui leur confère une caractéristique physique unique. En effet, la modulation de la forme et de la taille des pores offre un terrain fondamental unique dans l’étude des transitions de phases et permet d’envisager de nouvelles approches en terme d’adsorption et de séparation de gaz [1].

La respiration (« breathing effect ») est probablement l’effet le plus spectaculaire de ces matériaux. Il s’agit d’une transition structurale réversible induite par des stimuli externes et/où internes. Parmi ces matériaux la MIL-53 (Materials of Institut Lavoisier ; découvert pat G. Férey, médaille d’or du CNRS 2010) est celui qui a reçu le plus d’attention et il est à présent considéré comme étant un matériau modèle dans l’étude du processus de respiration [2]. La MIL-53(Cr) est capable de subir une contraction (forme fermée)/expansion (forme ouverte) réversible induite par adsorption de molécules, par la pression, par la température et par la lumière provoquant ainsi une variation de volume de l’ordre de 40% (voir Figure 1).
Bien que l’application d’un champ électrique soit bien connue pour induire des transitions de phases, ce stimulus n’a jamais été considéré dans l’étude du processus de respiration et de son application.
En utilisant une méthode développée récemment combinant simulations de type dynamique moléculaire et Monte Carlo dans l’ensemble osmotique [3] une équipe de physico-chimistes a montré pour, la première fois, que le processus de respiration dans la MIL-53(Cr) pouvait être induit par un champ électrique (Figure 1). Tandis qu’une hystérèse et une transition du premier ordre sont observées sur le matériau à vide la transition devient continue et sans hystérèse sous adsorption de CO2 et CH4. Par ailleurs, ces chercheurs ont démontré que la MIL-53(Cr) pouvait maintenir sa forme fermée durant l’adsorption entrainant une séparation complète de CO2 sur le CH4 par exclusion de taille. Ces transitions électriquement stimulables fournissent ainsi les bases de nouvelles applications dans les technologies de séparation et d’adsorption.

Figure 1 : Illustration de la transition de phase électriquement stimulable dans la MIL-53(Cr) en présence de CO2 et de CH4. Les formes ouverte (LP=large pore) et fermée (narrow pore) sont représentées.

[1] S. Krause et al., A pressure-amplifying framework material with negative gas adsorption transitions. Nature 2016, 532, 348−352.
[2] Serre et al. Very High Breathing effect in the First Nanoporous Chromium(III)-based Solids: MIL-53 or Cr(OH).O2C- C6H4-CO2. HO2C-C6H4-CO2Hx.H2Oy. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 13519−13526.
[3] Ghoufi, A.; Maurin, G. Hybrid Monte Carlo Simulations 458 Combined with a Phase MIxture Model to Predict the Structural Transitions of a Porous Metal-Organic Framework Material upon Adsorption of Guest molecules. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 6496.

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Contact : Aziz GHOUFI, Dépt Matériaux Nanosciences, IPR (aziz.ghoufi@univ-rennes1.fr)

 

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