Comprendre les phénomènes aux surfaces des zéolithes

SURFER’Z s’intéresse aux barrières de diffusion aux surfaces externes des cristaux de zéolithe. Ces résistances au transport peuvent ralentir les échanges moléculaires entre le milieu environnant et le réseau microporeux.

Elles restent mal comprises, sont difficiles à observer directement et peuvent être difficiles à distinguer des phénomènes de diffusion qui se produisent à l’intérieur des cristaux. Leur compréhension nécessite également de relier plusieurs échelles de longueur et de temps, du mouvement moléculaire aux performances globales d’un procédé de séparation.

Le projet poursuit deux objectifs complémentaires :

• Comprendre l’origine des barrières de surface et quantifier leur importance.
• Établir un cadre prédictif validé expérimentalement afin de déterminer quand ces barrières doivent être réduites ou, à l’inverse, pourraient être exploitées pour améliorer les performances de séparation.

Le système modèle retenu pour le projet est la séparation des alcools à chaîne courte comportant de deux à quatre atomes de carbone (C2 – C4). Ces molécules présentent un intérêt particulier pour la valorisation de la biomasse et la production de biocarburants.

Une stratégie associant expériences et modélisation

Le programme scientifique s’articule autour de quatre axes principaux.

Préparation et caractérisation des matériaux

Les équipes sélectionneront des zéolithes et modifieront leurs surfaces externes de manière contrôlée afin d’étudier les effets de la chimie de surface, de la structure poreuse et de la taille des cristaux.

Mesures du transport moléculaire

La spectroscopie infrarouge operando, la résonance magnétique nucléaire à gradient de champ pulsé (PFG-NMR) et les expériences de perçage seront utilisées pour étudier l’adsorption, la diffusion intracristalline et la résistance au transport interfacial.

Description des mécanismes à l’échelle moléculaire

Des simulations moléculaires et des modèles théoriques permettront de mieux comprendre l’adsorption et le transport des alcools à travers les interfaces des zéolithes.

Prédiction des performances de séparation

Les données expérimentales et numériques seront intégrées afin de relier les mécanismes microscopiques au comportement macroscopique du procédé de séparation.

Une collaboration entre le LCS et le LIPhy au sein de CARMEN

SURFER’Z s’appuie sur les expertises complémentaires de deux laboratoires qui sont également partenaires au sein du LCR CARMEN.

Au LCS à Caen, SURFER’Z réunit des expertises complémentaires en spectroscopie, RMN, adsorption, transport moléculaire, ainsi qu’en préparation et caractérisation des zéolithes.

• Arnaud Travert , professeur à l’Université de Caen Normandie, apporte son expertise en spectroscopie infrarouge operando, en adsorption et en analyse quantitative des phénomènes de transport moléculaire.
• Cassandre Kouvatas , maîtresse de conférences à l’Université de Caen Normandie, apporte son expertise en spectroscopie RMN et en caractérisation expérimentale de l’adsorption et du transport moléculaire.
• Edwin Clatworthy , chargé de recherche au CNRS, apporte son expertise en préparation des zéolithes, en modification post-synthèse, en caractérisation physicochimique et en expériences de perçage.

Au LIPhy à Grenoble, le projet s’appuie sur l’expertise de l’ équipe Physique statistique et modélisation (PSM) en simulation moléculaire, physique statistique et modélisation multi-échelle.

• Benoit Coasne, directeur de recherche au CNRS, apporte son expertise en modélisation à l’échelle moléculaire de l’adsorption, du confinement et du transport dans les matériaux nanoporeux.
• Simon Gravelle, chargé de recherche au CNRS, apporte son expertise en simulation moléculaire et en modélisation multi-échelle du transport dans les systèmes confinés.

Cette complémentarité est au cœur de l’approche CARMEN : relier la caractérisation in situ/operando du transport dans les solides microporeux à la modélisation moléculaire et mésoscopique afin d’obtenir une description multi-échelle du comportement des matériaux.

Deux projets de doctorat complémentaires

Deux doctorants seront recrutés dans le cadre de SURFER’Z.

Le projet de doctorat au LCS portera sur le volet expérimental du projet : préparation et modification post-synthèse des zéolithes, caractérisation physicochimique, spectroscopie IR operando, mesures PFG-NMR et expériences de perçage.

Le projet de doctorat au LIPhy portera sur les simulations moléculaires et la modélisation théorique de l’adsorption et du transport à travers les interfaces des zéolithes, ainsi que sur le transfert des informations obtenues à l’échelle moléculaire vers des modèles macroscopiques.

Ensemble, les deux projets de doctorat fourniront des descriptions expérimentales et théoriques complémentaires des barrières de diffusion de surface.

Vers une compréhension prédictive des barrières de surface

SURFER’Z vise à rendre les barrières de surface mesurables, prédictibles et potentiellement utiles pour la séparation moléculaire.

En établissant des relations quantitatives entre la chimie de surface, la taille des cristaux, la porosité et le transport moléculaire, le projet cherche à fournir les fondements scientifiques nécessaires à l’amélioration de la conception des matériaux et des procédés de séparation fondés sur l’adsorption.

À terme, SURFER’Z vise à établir une compréhension fondamentale et prédictive des phénomènes de transport aux interfaces des matériaux nanoporeux, tout en proposant de nouveaux concepts pour la conception de procédés de séparation moléculaire.

Partenaires

• Laboratoire Catalyse & Spectrochimie (LCS)
• Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LIPhy)
• LCR CARMEN
• Agence nationale de la recherche (ANR)