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Des matériaux à porosité contrôlée pour le stockage de gaz

Le contrôle de la porosité d’un matériau est essentiel lorsque l’on cherche à l’utiliser pour séparer un mélange gazeux ou tout simplement stocker un gaz. La famille des MOFs, matériaux hybrides inorganique-organique, sont connus pour être poreux. Mais cette porosité est limitée par une imbrication des réseaux qui intervient pour de grands volumes de pores qui fragilisent l’édifice. En jouant sur la partie organique pour renforcer la cohésion du réseau et éviter ce phénomène, les chercheurs de l’Institut de recherche de chimie Paris (CNRS / Chimie ParisTech) ont synthétisé une nouvelle famille de MOFs pour laquelle ils parviennent à moduler l’imbrication. Ces travaux sont parus dans la revue Nature Chemistry.

Les matériaux nanoporeux présentant au sein de leur structure des cavités de dimension nanométriques, sont fréquemment utilisés à l’échelle industrielle pour des applications de séparation de mélanges gazeux et de stockage de gaz. Parmi ces matériaux, une famille de charpentes cristallines hybrides inorganique-ligand organique, appelées MOF (pour Metal–Organic Frameworks), présente de grands volumes poreux dont on peut fonctionnaliser la surface interne. Cependant, la porosité de ces MOFs est limitée par un phénomène dit d’imbrication : les réseaux cristallins de plus grand volume poreux sont généralement instables et donnent naissance à des cristaux regroupant plusieurs réseaux identiques imbriqués (ou “enchevêtrés”). Ce phénomène d’interpénétration est donc un frein au développement de nouvelles structures très poreuses de ce type.

Un consortium d’équipes françaises, belges, néerlandaises et néo-zélandaises vient de franchir un pas important dans la compréhension et le contrôle de l’imbrication. L’étude théorique et expérimentale qu’elles ont mené leur a permis de découvrir et caractériser une nouvelle famille de matériaux, construite à partir de ligands organiques “encombrés” qui renforcent la cohésion du réseau et stabilisent la structure non imbriquée qui peut alors être obtenue par la voie de synthèse classique. Cette structure très poreuse peut également être transformée de manière réversible en un réseau imbriqué par manipulation physique (température, pression) ou chimique (changement de solvant).

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© F.-X. Coudert

Les chercheurs ont pu ainsi faire varier de manière entièrement contrôlée l’imbrication du simple au double, phénomène encore jamais observé. Ils peuvent ainsi moduler de manière fine les propriétés physico-chimiques des matériaux, afin de trouver un équilibre entre capacité de stockage de gaz, stabilité mécanique et surface interne disponible pour l’adsorption ou la catalyse. Ces travaux ouvrent également la voie à la synthèse de nouveaux matériaux de grande porosité basés sur un renforcement du réseau pour éviter l’imbrication.

Référence

Alan Ferguson, Lujia Liu, Stefanus J. Tapperwijn, David Perl, François-Xavier Coudert, Stijn Van Cleuvenbergen, Thierry Verbiest, Monique A. van der Veen & Shane G. Telfer

Controlled Partial Interpenetration in Metal-Organic Frameworks

Nature Chemistry 25 janvier 2016
DOI: 10.1038/nchem.2430

Contact chercheur

François-Xavier Coudert, Institut de recherche de chimie Paris

Courriel : fx.coudert@chimie-paristech.fr

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

25 janvier 2016