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Fil d'Info Science

Mieux capter le CO2 grâce à l'optimisation des matériaux d'adsorption

Janvier 2014

Le développement de meilleurs matériaux adsorbants est un enjeu technologique majeur pour la purification des gaz de synthèse industriels mais aussi pour les procédés de captage du CO2 .

Les MOF (Metal-Organic-Frameworks) représentent une nouvelle famille de matériaux hybrides (organique/inorganique) qui offrent un potentiel intéressant.

Les chercheurs d'IFPEN ont donc cherché à évaluer ce potentiel pour le captage de CO2  par PSA (Pressure Swing Adsorption)1, procédé cyclique consistant en l’adsorption des impuretés sur des matériaux poreux. Plusieurs MOFs ont été synthétisés et caractérisés par leurs isothermes d’adsorption de CO2, CH4, CO et N2. Pour étudier leur capacité à séparer du CO2, l’adsorption et la désorption d’un mélange de ces gaz a été suivi en mode dynamique sur une colonne d’adsorption contenant du MOF.

Ce travail, mené en collaboration avec l’Université Claude Bernard de Lyon, l’Université de Versailles et l’Université Aix Marseille, a montré que les matériaux MOFs les plus intéressants pour l’adsorption du CO2  possèdent tous des sites métalliques dénommés CUS (Coordinatively Unsaturated Sites). Ces sites se caractérisent par le fait qu’ils permettent au CO 2 d’avoir une forte proximité avec le métal, en occupant une place dans sa sphère de coordination. Par ailleurs, la force de liaison métal-CO dépend fortement de la nature chimique du métal.

En faisant la lumière sur ce mécanisme d’interaction, les travaux d’IFPEN ont jeté les bases d’une méthodologie pour rationaliser le choix du métal en fonction de la composition du mélange de gaz à séparer.2

Ainsi, en parallèle à ces travaux expérimentaux, les équipes d’IFPEN et d’UCBL ont développé des méthodes théoriques (basées sur la thermodynamique statistique) qui permettent de prédire les propriétés (la porosité, la distribution de charges électrostatiques) d’un matériau (zéolithe, MOF) optimal pour des conditions opératoires données du procédé PSA. 3, 4 Grâce entre autres à la mise en place de nouveaux descripteurs originaux, ces modèles théoriques permettent soit de choisir, parmi les matériaux existants, les candidats les plus prometteurs pour le captage de CO2 soit d’orienter les efforts en synthèse de matériaux vers les solides dotés des performances optimales en la matière.
 

Références :

1 . Pirngruber, G. D.; Hamon, L.; Bourrelly, S.; Llewellyn, P. L.; Lenoir, E.; Guillerm, V.; Serre, C.; Devic, T. A Method for Screening the Potential of MOFs as CO2 Adsorbents in Pressure Swing Adsorption Processes, ChemSusChem ( 2012) 5, 762-776. >> DOI: 10.1002/cssc.201100716

2 . Garcia, E. J.; Mowat, J. P. S.; Wright, P. A.; Perez-Pellitero, J.; Jallut, C.; Pirngruber, G. D. Role of Structure and Chemistry in Controlling Separations of  CO2 /CH4 and CO2 /CH4 /CO Mixtures over Honeycomb MOFs with Coordinatively Unsaturated Metal Sites, The Journal of Physical Chemistry C ( 2012) 116, 26636-26648. >>   DOI: 10.1021/jp309526k

3 . Garcia, E. J.; Perez-Pellitero, J.; Jallut, C.; Pirngruber, G. D. Modeling Adsorption Properties on the Basis of Microscopic, Molecular, and Structural Descriptors for Nonpolar Adsorbents, Langmuir ( 2013) 29, 9398-9409. >> DOI: 10.1021/la401178u

4 . Amrouche, H.; Aguado, S.; Perez-Pellitero, J.; Chizallet, C.; Siperstein, F.; Farrusseng, D.; Bats, N.; Nieto-Draghi, C. Experimental and Computational Study of Functionality Impact on Sodalite-Zeolitic Imidazolate Frameworks for CO(2) Separation, Journal of Physical Chemistry C ( 2011) 115, 16425-16432. >> DOI: 10.1021/jp202804g

 
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