Axe Matériaux à Porosité Contrôlée

Objectifs scientifiques

  • Développement de stratégies de synthèse basées sur l’utilisation d’agents structurants originaux et/ou biosourcés pour de nouvelles structures dans les familles des zéolithes et solides apparentés, et des polymères de coordination (Metal-Organic Frameworks).
  • Développement ou optimisation des procédés de synthèse de matériaux 3D inorganiques et hybrides par voie douce et par voie hydrothermale.
  • Stockage de l’énergie mécanique dans les matériaux poreux.

Les membres

Magali BONNE Maître de ConférencesCV

Gérald CHAPLAIS
Maître de Conférences
Co-animateur
CV

Jean DAOU
Professeur
CV

Ludovic JOSIEN
Ingénieur de Recherche
CV

Bénédicte LEBEAU
Directrice de Recherche
Co-animatrice
CV

Claire MARICHAL
Professeur
CV

Laure MICHELIN
Assistante Ingénieur
CV

Habiba NOUALI
Ingénieure de Recherche
CV

Jean-Louis PAILLAUD
Directeur de Recherche
CV

Joël PATARIN
Directeur de Recherche
CV

Severinne RIGOLET
Ingénieure de Recherche
CV

Andrey RYZHIKOV
Chargé de Recherche
CV

Angélique SIMON-MASSERON
Professeur
CV

Thèmes de recherche

Elaborer de nouvelles structures 3D, développement de procédés de synthèse nouveaux/optimisés, fonctionnalisation (traitement post-synthèse et voie directe) et mise en forme (voie directe ou ex situ)

M. Bonne, G. Chaplais, J. Daou, B. Lebeau, J.-L. Paillaud, J. Patarin, A. Ryzhikov, A. Simon-Masseron

Synthèse de germanosilicates microporeux de topologie –CLO et UTL : Une nouvelle famille de structurants dérivés de la pyrrolidine a été synthétisée et testée en synthèse hydrothermale de germanosilicates microporeux. L’un d’entre d’eux, le N,N-diméthylperhydro-dicyclopenta[b,d]pyrrolium a permis d’obtenir le germanosilicate de topologie -CLO avec une très grande pureté et un rapport Si/Ge de 2, record absolu pour cette topologie initialement connue sous la forme de gallophosphate. De même, le (6R,10S)-6,10-diméthyl-5-azoniaspiro[4,5]décane a conduit à IM-12, un germanosilicate microporeux de topologie UTL.

Brevet

M. Dodin, J. -L. Paillaud, P. Caullet, A. Defoin, Patent WO2013064786A1, 2013

Caractérisation structurale multi-échelle de solides poreux par couplage de la diffraction de RX sur poudre et la RMN du solide

M. Bonne, G. Chaplais, J. Daou, L. Josien, B. Lebeau, C. Marichal, L. Michelin, J. L. Paillaud, J. Patarin, A. Ryzhikov, S. Rigolet, A. Simon-Masseron

Les techniques de RMN de 29Si MAS et 1H-29Si CP/MAS ont permis de trancher entre deux structures possibles de la zéolithe IM-17 décrites dans le groupe d’espace Cmmm dont l’une est interrompue. De plus les techniques récentes de nano-diffraction électroniques ont permis aussi de confirmer le choix du sous-groupe d’espace non-centrosymétrique Amm2 (collaboration avec l’Université de Mayence).

Publications

Y. Lorgouilloux, M. Dodin, E. Mugnaioli, C. Marichal, P. Caullet, N. Bats, U. Kolb, U. J.-L. Paillaud  RSC Advances 2014, 4, 19440 DOI : 10.1039/c4ra01383b

Établir les mécanismes de formation de solides poreux

G. Chaplais, J. Daou, B. Lebeau, C. Marichal,  J. L. Paillaud, J. Patarin,  S. Rigolet,  A. Simon-Masseron

Grâce au support de la modélisation moléculaire, différents composés organiques favorables à la fois à la structuration (effet agent directeur de la structure) d’un matériau et à l’inhibition de la croissance des cristaux (obtention de nano-éponges ou de nanofeuillets zéolithiques) ont été identifiés. Cette approche a permis la synthèse de nanofeuillets de zéolithe ZSM-5 par conversion structurale d’un polysilicate lamellaire formé in situ, la magadiite, observée en présence d’un composé bifonctionnel monoazoté. Cette approche, a été ensuite appliquée à la synthèse des zéolithes EMC-1 (FAU) et EMC-2 (EMT) en présence de nouveaux agents structurants bifonctionnels de type di(aza-éther-couronnes).

Publications

J. Dhainaut, T.J. Daou, Y. Bidal, N. Bats, B. Harbuzaru, G. Lapisardi, H. Chaumeil, A. Defoin, L. Rouleau, J. Patarin  CrystEngComm 2013, 15, 3009 DOI 10.1039/C3CE40118A

Optimiser les matériaux et leurs propriétés grâce à des caractérisations structurales approfondies

 

M. Bonne, G. Chaplais, J. Daou, L. Josien, B. Lebeau, C. Marichal, L. Michelin, H. Nouali, J.-L. Paillaud, J. Patarin, A. Ryzhikov, S. Rigolet, A. Simon-Masseron

Il a été montré pour la première fois que les radicaux endogènes présents dans les siliciums poreux carbonisés thermiquement (TCPSi) peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité de la RMN 1H-13C CPMAS grâce à la technique de polarisation dynamique nucléaire (DNP : dynamic Nuclear Polarization). L’originalité de ce travail repose sur le fait qu’une amélioration significative du signal de RMN du 13C du matériau TCPSi a été obtenue sans ajout d’agents de polarisation. La présence de radicaux stables dans le matériaux TCPSi a été démontrée et leur quantité déterminée par Résonance Paramagnétique de l’Electron (RPE). La faisabilité des expériences de 1H-13C CPMAS DNP RMN a été prouvée et cette technique a été utilisée pour obtenir des informations sur la nature chimique du TCPSi.

Publications

J. Riikonen, S. Rigolet, C. Marichal, F. Aussenac, J. Lalevée, F. Morlet-Savary, P. Fioux, C. Dietlin, M. Bonne, B. Lebeau, V.-P. Lehto, Journal of Physical Chemistry C 2015, 119, 19272  DOI : 10.1021/acs.jpcc.5b05970

Évaluer les capacités d’adsorption de polluants en phase gaz et en phase liquide par des matériaux poreux

 G. Chaplais, J. Daou, B. Lebeau, H. Nouali, J. Patarin,  A. Simon-Masseron

Les synthèses classiques de zéolithes aboutissent généralement à des produits pulvérulents. Ces poudres sont généralement pénalisantes pour un grand nombre d’applications industrielles. Le développement de méthodes de mise en forme de ces matériaux avec des morphologies et des tailles d’objets contrôlables est d’une grande importance technologique. Dans le cas du projet ADEME Méterdiox +, il est prévu que le dispositif de terrain soit équipé de cartouches dans lesquelles seront introduits les matériaux adsorbants de dioxines/furanes. Ces derniers doivent donc être mis en forme de façon à éviter au maximum les pertes de charges et le colmatage des cartouches observés dans le cas de l’utilisation de poudres.

Publications

G. Rioland, L. Bullot, T.J. Daou, A. Simon-Masseron, G. Chaplais, D. Faye, E. Fiani, J. Patarin  RSC Advances 2016, 6, 2470 DOI :  10.1039/c5ra23258a

Obtenir des systèmes performants pour le stockage ou l’absorption d’énergie mécanique à base de solides poreux hydrophobes

G. Chaplais, J. Daou, B. Lebeau, C. Marichal, H. Nouali, J.-L. Paillaud, J. Patarin, A. Ryzhikov

L’intrusion-extrusion d’eau au sein de zéolithes hydrophobes purement siliciques (zéosils) conduit à un comportement de ressort moléculaire dans le cas de la zéolithe Silicalite-1 de type MFI ce qui se traduit par une restitution quasi-totale (rendement énergétique de 98 %) de l’énergie stockée lors de l’extrusion. Le remplacement de l’eau pure par des solutions concentrées d’électrolytes telles que LiCl, MgCl2 ou NaCl, a permis d’augmenter considérablement les performances énergétiques des zéosils. Ainsi, l’énergie stockée a été triplée dans le cas du système « Silicalite-1-LiCl 20 M » comparé au système « Silicalite-1-eau ».

Publications

I. Khay, T.J. Daou, H. Nouali, A. Ryzhikov, S. Rigolet, J. Patarin Journal of Physical Chemistry C 2014, 118, 3935 DOI : 10.1021/jp4105163

Equipements spécifiques

ZETASIZER
Mesures de potentiel ζ et de taille de particules par DLS
Modèle : ZETASIZER Nano Series Nano-Zs (Malvern Instruments)
Responsable : J. Daou

Porosimètre à Hg 200 MPa (400 MPa)
Modèle : AutoPore IV (Micromeritics)
Responsable : H. Nouali

Chambre d’émission V = 50 L
Modèle : Climtech
Responsable : H. Nouali

Thermobalance modifiée (mesure cinétique, isotherme d’adsorption) couplé avec  spectromètre de masse
Modèles : SETSYS Vapor Sorption (Setaram) ; QGA (Hiden Analytical)
Responsables : H. Nouali / J. Daou

Thermodésorbeur couplé à une chromatographie en phase gaz et à un spectromètre de masse
Modèles : TurboMatrix 300 (PerkinElmer) ; CP3800 (Varian) ; Saturn 2200 (Varian)
Responsable : H. Nouali

Mélangeur
Modèle : EL1 (Eirich)
Responsable : J. Daou

Absorption atomique
Modèle : AA 240 FS (Varian)
Responsable : L. Michelin

Gamme d’autoclaves (de 2 à 750 mL)
Modèles : conception IUT Mulhouse, Top Industrie, Autoclave France, Parr
Responsable : J-L. Paillaud

Principales collaborations

Laboratoire de Photochimie et Ingénierie Moléculaire (Mulhouse, France)
Laboratoire de Gestion des Risques et Environnement (Mulhouse, France)
Laboratoire de Chimie Organique et Bioorganique (Mulhouse, France)
Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles (Mulhouse, France)
Institut de Physique et de Chimie des Matériaux de Strasbourg  (UNISTRA, Strasbourg)
Laboratoire de Chimie de Coordination (UNISTRA, Strasbourg)
Institut de Chimie de Strasbourg, Equipe Synthèse et réactivité organiques et Catalyse (UNISTRA, Strasbourg)
Laboratoire Structure et Réactivité des Systèmes Moléculaires Complexes (Univ. Lorraine, Vandoeuvre-lès-Nancy)
Institut Carnot de Bourgogne (Univ. Bourgogne, Dijon)
Institut de Recherche de Chimie de Paris (Chimie ParisTech, Paris)
Laboratoire Processus d’Activation Sélective par Transfert d’Energie Uni-Electronique ou Radiatif (UPMC, Paris)
Laboratoire de Matériaux Divisés, Interfaces, Réactivité, Electrochimie (Univ. Aix-Marseille, Marseille)
Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (Univ. Poitiers, Poitiers)
Department of Geology, Mineralogy and Geophysics (Univ. Bochum, Allemagne)
Laboratory of Materials, Catalysis, Environment and Analytical Methods Faculty of Sciences (Univ. Libanaise, Beyrouth)
Laboratoire de Chimie des Matériaux (Univ. Es Sénia, Oran, Algérie)