Séparation complète du carbone et du méthane dans un matériau poreux "respirant"

Les matériaux de type Metal-Organic Frameworks (MOFs) sont des matériaux hybrides poreux cristallisés. Certains d'entre eux présentent une grande flexibilité qui permet de moduler la forme et la taille des pores, ce qui ouvre de nouvelles approches en terme d’adsorption et de séparation de gaz piégés dans les pores. Pour la première fois, des chercheurs rennais ont contribué à montrer que, sous l'effet d'un champ électrique, l'un de ces matériaux peut rester contracté lors de l'adsorption de ces gaz. Il s'ensuit la séparation complète de CO2 par exclusion du CH4. Publication dans la revue ACS Central Science.

Séparation complète du carbone et du méthane dans un matériau poreux "respirant"

La flexibilité des matériaux hybrides poreux cristallisé est un phénomène spectaculaire associé à une transition structurale réversible induite par des stimuli externes et/ou internes . Parmi ces matériaux figure le MIL-53(Cr), découvert par G. Férey, médaille d’or du CNRS 2010. Ce matériau est capable de subir une contraction (forme fermée) / expansion (forme ouverte) réversible induite par adsorption de molécules, par la pression mécanique, par la température et par la lumière, provoquant ainsi une variation de son volume de l’ordre de 40%.

Bien que l’application d’un champ électrique soit bien connue pour induire des transitions structurales dans les solides ferroélectriques, l’influence de ce stimulus sur le processus de respiration de MOF flexible n’avait encore jamais fait l’objet d’études.

C’est maintenant chose faite, grâce à des travaux réalisés à l'Institut de physique de Rennes (Université de Rennes 1/CNRS), en collaboration avec des chercheurs de l’Institut Charles Gerhardt (Université de Montpellier/CNRS) et de l’Université de Tlemcen en Algérie. L'équipe a utilisé une méthode combinant simulations de type dynamique moléculaire et Monte Carlo. Elle a ainsi pu démontrer que le processus de respiration dans le MIL-53(Cr) pouvait être induit par un champ électrique. Par ailleurs, en présence de CO2 et CH4, ces chercheurs ont montré que le MIL-53(Cr), en présence de ce champ électrique, pouvait maintenir sa forme fermée durant l’adsorption de ces gaz, entrainant une séparation complète de CO2 par exclusion du CH4 : ce dernier est trop volumineux pour rester dans les pores. Ainsi, cette respiration électriquement stimulable fournit les bases de nouvelles applications dans les technologies de séparation et d’adsorption de gaz à l’aide de ces matériaux poreux.

 

Référence

Electrically Induced Breathing of the MIL-53(Cr) Metal−Organic Framework
Aziz Ghoufi, Karima Benhamed, Leila Boukli-Hacene & Guillaume Maurin.
doi: 10.1021/acscentsci.6b00392

Cet article est issu d'une brève parue sur le site de l'Institut de chimie du CNRS.