Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

LES FOCUS TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR INNOVATION LES MOF, CES NOUVEAUX MATÉRIAUX

LES FOCUS TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR INNOVATION LES MOF, CES NOUVEAUX MATÉRIAUX PROMETTEURS février / 2019 SOMMAIRE 2 INTRODUCTION 3 LES MOF OU METALLIC ORGANIC FRAMEWORK 4 • LA SYNTHÈSE DES MOFS PASSE À L’ÈRE INDUSTRIELLE 4 • LES MOFS SE METTENT AUSSI AU FROID 5 • UN MOF PIÈGE DEUX GAZ POLLUANTS SIMULTANÉMENT 6 • COMMENT RENDRE PHOTOCONDUCTEUR UN OXYDE DE TITANE NANOPOREUX 7 SOMMAIRE Découverts dans les années 2000, les MOF (metal-organic frameworks), étonnants matériaux poreux, commencent à connaître leurs premières heures de gloire avec une phase d'industrialisation qui s'accélère. Après le graphène, le nouveau matériau à la mode ? Alors que la synthèse à l’échelle industrielle des MOFs, ces matériaux nanoporeux dont on ne cesse de vanter le potentiel, bute sur des difficultés techniques et économiques, les partenaires du projet européen ProDIA ont développé deux procédés innovants qui pourraient changer la donne. Les MOFs – metallic organic framework – présentent des capacités bien supérieures à celles des charbons actifs ou des zéolithes. Mais la plupart d’entre eux, en raison de leur structure hybride organique / inorganique sont instables. C’est l’un des obstacles majeurs à leur industrialisation ou à leur utilisation de manière courante. C’est pourquoi, les partenaires du projet ProDIA se sont intéressés plus particulièrement aux MOFs de la famille UiO-66 à base de zirconium. En effet, brevetés par le CNRS et l’Université d’Oslo, ils présentent une très bonne stabilité thermique, chimique et mécanique et ne posent pas de problème de toxicité. Les chercheurs ont réussi à trouver une voie de synthèse qui permet une production à l’échelle industrielle à des coûts raisonnables. Pour cela ils ont trouvé des matières premières facilement disponibles, à la fois sûres pour la production et non toxiques lors de la fabrication et de l’emploi. Le procédé final fourni des composés très purs en milieu aqueux, sans utilisation de solvants organiques et sans sels. C’est Axel’One, la plate-forme d’innovation collaborative dédiée au secteur chimie-environnement à Lyon, qui a validé le process de cette synthèse sur une ligne pilote préindustrielle. Le projet a permis de produire, avec un rendement de 95 %, un lot pilote de 150 kg d’une poudre cristalline qui peut être extrudée sous forme de pastilles sans perte de propriétés poreuses. INTRODUCTION Plus de contenu, d’actualités et d’informations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR Alors que la synthèse à l’échelle industrielle des MOFs, ces matériaux nanoporeux dont on ne cesse de vanter le potentiel, bute sur des difficultés techniques et économiques, les partenaires du projet européen ProDIA ont développé deux procédés innovants qui pourraient changer la donne. Les MOFs - metallic organic framework - présentent des capacités bien supérieures à celles des charbons actifs ou des zéolithes. Mais la plupart d’entre eux, en raison de leur structure hybride organique / inorganique sont instables. C’est l’un des obstacles majeurs à leur industrialisation ou à leur utilisation de manière courante. C’est pourquoi, les partenaires du projet ProDIA se sont intéressés plus particulièrement aux MOFs de la famille UiO-66 à base de zirconium. En effet, brevetés par le CNRS et l’Université d’Oslo, ils présentent une très bonne stabilité thermique, chimique et mécanique et ne posent pas de problème de toxicité. Les chercheurs ont réussi à trouver une voie de synthèse qui permet une production à l’échelle industrielle à des coûts raisonnables. Pour cela ils ont trouvé des matières premières facilement disponibles, à la fois sûres pour la production et non toxiques lors de la fabrication et de l’emploi. Le procédé final fourni des composés très purs en milieu aqueux, sans utilisation de solvants organiques et sans sels. C’est Axel’One, la plate-forme d’innovation collaborative dédiée au secteur chimie-environnement à Lyon, qui a validé le process de cette synthèse sur une ligne pilote préindustrielle. Le projet a permis de produire, avec un rendement de 95 %, un lot pilote de 150 kg d’une poudre cristalline qui peut être extrudée sous forme de pas- tilles sans perte de propriétés poreuses. Des produits compétitifs De ces recherches est née une start-up, MOFapps, qui commercialise maintenant des adsorbants MOFs à base de zirconium pour la purification de l’air, notamment sous forme de cartouches pour des masques de protection indi- viduelle contre l’ammoniac. Ces cartouches présentent des temps d’utilisation doublés par rapports aux autres car- touches du marché. Le second procédé proposé par ces chercheurs concerne la synthèse par atomisation du MOF « HKUST-1 », un MOF à base de cuivre. L’outil d’atomisation est un pilote, unique en Europe, hébergé par Axel’One : 10,5 mètres de hauteur, la possibilité de fonctionner en atmosphère contrôlée sous azote, il permet de pulvériser des gouttelettes du mélange des réactifs sous forme aqueuse à haute vitesse pour for- mer et sécher dans un même temps le solide nanoporeux. Il a notamment permis la fabrication d’un premier lot de 30 kg de poudre de grande pureté en quelques heures avec un rendement supérieur à 95 %. Cet essai à l’échelle semi- industrielle permet, là encore, d’envisager une production de 300kg/jour en continu à un prix compétitif comparé aux zéolithes ou aux charbons actifs. 08/02/2019 LES MOF OU METALLIC ORGANIC FRAMEWORK LA SYNTHÈSE DES MOFS PASSE À L’ÈRE INDUSTRIELLE INNOVATION : LES MOF, CES NOUVEAUX MATÉRIAUX PROMETTEURS - LIVRE BLANC 5 Des MOFs à base de zirconium ont montré des performances 60% supérieures aux solutions actuelles pour la fabrication d’une poudre de réfrigération. L’adsorption et la libération d’eau par des solides nanopo- reux constitue un moyen de choix pour les procédés de récupération de chaleur liée à l’énergie solaire, aux pompes à chaleur ou encore à la réfrigération. Mais aujourd’hui leur efficacité et leurs performances sont encore assez faibles. Des chercheurs de l’Institut des matériaux poreux de Paris, l’Institut Charles Gerhardt Montpellier et leurs partenaires, ont synthétisé, en conditions « vertes » un nouveau maté- riau hybride nanoporeux, qui permet de dépasser les per- formances des meilleurs adsorbants d’eau actuels avec une capacité de stockage élevée ainsi qu’une température de régénération plus basse (moins de 63°C). Leurs travaux ont été publiés dans Nature Energy d’octobre 2018 . Idéal pour la réfrigération Le nouveau solide nanoporeux mis au point est un MOF à base d’oxoclusters de zirconium (Zr-MOF baptisé MIP- 200). C’est un solide hybride nanoporeux hydrophile à grands pores dont la structure 3D à l’échelle atomique a pu être déterminée par diffraction X au synchrotron Soleil. Gauche : Vue de la structure du Zr-MOF (atomes/polyèdres de Zr en jaune ; atomes d’oxygène et d’hydrogène en rouge et blanc).Droite : Évolution du coefficient de performances du MOF-Zr en comparaison avec des matériaux poreux de référence ©Christian Serre (Institut des matériaux poreux de Paris) Cette structure montre que le MIP-200 possède deux types de nanopores particulièrement hydrophiles et très stables en présence d’eau, après des utilisations répétées. Cela lui confère à la fois la capacité d’adsorber de grands volumes d’eau, de permettre des échanges de chaleur importants et d’effectuer une désorption à plus basse température lors de l’étape de régénération (inférieure à 65°C, de l’ordre de la température maximale que l’on trouve sur les réseaux d’eau domestiques). Les zéolithes ou autres solides poreux inor- ganiques utilisés aujourd’hui présentent des températures de régénération supérieures à 75°C et un volume poreux limité que ce nouveau matériau surpasse largement. Des calculs, réalisés par des chercheurs du Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), ont confirmé que ce solide est plus efficace que les matériaux poreux éva- lués à ce jour pour des applications de réfrigération au sein des habitations par exemple. En outre, sa synthèse n’utilise que des produits chimiques verts, simples et peu coûteux, permettant d’envisager le développement de futurs procé- dés de réfrigération plus efficaces. 07/02/2019 LES MOFS SE METTENT AUSSI AU FROID Plus de contenu, d’actualités et d’informations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR Capturer en une étape CO2 et H2S dans un milieu riche en méthane, c’est possible, grâce à une nouvelle famille de MOF mise au point par des scientifiques de l’université saoudienne KAUST et de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier. « Matériaux cages », « nanofilets », « éponges chimiques », autant d’appellations imagées qui désignent les matériaux micro et nanoporeux découverts ces dernières années. Leurs propriétés en font des matériaux convoités pour des processus de séparations sélectives ou d’absorption spé- cifiques particulièrement utiles dans les secteurs de l’éner- gie, de l’environnement ou de la santé. Si les chercheurs ont beaucoup travaillé sur les zéolithes, les oxydes de type alumino-silicates, les nanotubes de carbone et les poly- mères poreux, voici venu le temps des MOFs, abréviation anglophone pour « metal organic framework ». Comme les autres, ils présentent des cavités de taille nanométrique correspondant à des molécules courantes de bases comme l’eau, le dioxygène, le méthane, le dioxyde de carbone etc. Et la nouvelle famille créée par les scientifiques de l’uni- versité KAUST d’Arabie saoudite et de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier (CNRS/Université de Montpellier/ ENSCM) permet d’envisager des économies notables dans le traitement et la récupération du méthane. Tout faire en une seule étape La purification du méthane lors de la captation uploads/Industriel/ livre-blanc-innovation-les-mof-ces-nouveaux-materiaux-prometteurs-livre-blanc.pdf