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CNRS 
storage and selectivity of CO2/CH4 by silica materials with controled porosity and functionality: experimental and theoretical study
UPPA, Pau
IPREM
Computational Chemistry Inorganic Chemistry Physical Chemistry 
Full Description:

Le contexte scientifique

La séparation et le stockage du CO2 constituent un enjeu sociétal qui mobilise de nombreux acteurs industriels et de la recherche. Il s’agit non seulement de capter et stocker le CO2 mais aussi de le séparer de son milieu initial. L’industrie pétrolière étant la première concernée par cette problématique, il est important de proposer des solutions de stockage du CO2 et de séparation des mélanges CO2/CH4, à grande échelle, en vue de l’exploitation des nombreuses réserves de gaz naturel.
Outre les solutions d’amine actuellement utilisées pour extraire le CO2, des substrats solides sont en cours de développement tels que les zéolites ou les MOFs. D’autres matériaux hôtes commerciaux à base de silice native ou fonctionnalisée (SBA15, MCM41) font l’objet d’études préliminaires. Cependant, leur coût et leur conditionnement sous forme de poudre limitent leur utilisation à grande échelle.
Une nouvelle classe de matériaux monolithiques à base de silice présente de nombreux avantages :
- Synthèse par voie sol-gel simple et à faible coût,
- Possibilité de moduler la forme multi-échelle du matériau : macroscopique (taille et géométrie) et microscopique (surface spécifique, taille de pores),
- Fonctionnalisation en surface et/ou en volume du matériau (ajout de fonctions chimiques pour chimisorber sélectivement le CO2 par rapport au CH4, modulation du caractère hydrophobe/hydrophile).
Les premiers tests sur ces matériaux monolithiques montrent leur remarquable performance tant sur le plan de l’adsorption du CO2 que la séparation d’un mélange CO2/CH4. Afin de rationnaliser la synthèse de ces matériaux monolithiques à base de silice, plusieurs verrous concernant leurs textures physique et chimique nécessitent d’être levés. Par ailleurs, le comportement de ces matériaux sous des conditions de température et de pression compatibles avec les procédés est encore inconnu. La modélisation moléculaire de ces matériaux sous différentes contraintes externes (température, pression) est un outil complémentaire puissant permettant d’identifier les facteurs clés influant sur les interactions préférentielles silice/CO2 dans le but d’orienter vers des synthèses de matériaux encore plus efficaces.

 

Les objectifs

Le premier objectif de ce travail consistera à synthétiser des monolithes de silice micro/méso-poreux présentant une porosité (surface et taille des pores) et une fonctionnalité (hydrophobie/hydrophilie) contrôlées en jouant sur le pH, la température, le temps de gélification, en modifiant la nature des précurseurs par l’introduction lors de la synthèse de groupements alkyles/phényles ou encore en modifiant chimiquement la surface du matériau pour favoriser la chimisorption des adsorbats.
Le deuxième objectif sera la caractérisation de ces matériaux dans un premier temps par des techniques classiques de porosimétrie, infra-rouge ou RMN mais également par des méthodes de spectroscopie électronique (UV-vis, fluorescence) et le suivi de molécules individuelles par la microscopie de fluorescence grâce à l’inclusion de sondes fluorescentes dans les monolithes.
Le troisième objectif sera d’élucider les mécanismes physico-chimiques à l’origine de l’adsorption préférentielle des matériaux pour le CO2 et le CH4. Cette partie s’appuiera sur l’analyse d’isothermes d’adsorption de gaz purs et de mélanges, la localisation spatiale des adsorbats à l’aide d’une sonde fluorescente spécifique par la microscopie de fluorescence, la modélisation moléculaire multi-échelle (chimie quantique et dynamique moléculaire classique) pour identifier à l’échelle microscopique les facteurs clés influant sur l’adsorption sélective du CO2/CH4 par le matériau hôte.

 

Les collaborations de recherche

Une collaboration de recherche sera mise en place avec le Prof. David Bessières (LFC-R, UPPA) pour déterminer les isothermes de gaz purs et de mélanges CO2/CH4 afin de déterminer les conditions de synthèse optimales des matériaux inorganiques (tant sur le plan de la porosité que sur le plan de la fonctionnalité) présentant la meilleure sélectivité entre le méthane et le dioxyde de carbone.

 

Compétences requises:
- Compétences en synthèse de matériaux inorganiques
- Compétences dans des méthodes de caractérisation de matériaux hybrides organiques/inorganiques, dans des méthodes spectroscopiques et de microscopie de fluorescence, et dans des méthodes de modélisation multi-échelle (chimie quantique, dynamique moléculaire classique)
- Capacité à lire et rédiger des rapports en anglais
- Bonnes capacités de gestion de projet multi-partenaires et de présentation orale en français et en anglais

 

 

 



Posted on: 05 May 2015Deadline to apply: 29 May 2015Start Date: 01 October 2015 Duration: 36 months
The Fund category is Public Funding - University and the salary is 20-25k€ annual gross
Doctoral School is Exact sciences and their applications in the Aquitaine Region.

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