Améliorer la capacité d’adsorption du CO2 du ZIF

May 31, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 17584 (2023) Citer cet article

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Les structures métallo-organiques (MOF) et les structures imidazolates zéolithiques (ZIF) sont des matériaux poreux prometteurs pour l'adsorption et le stockage des gaz à effet de serre, en particulier le CO2. Dans cette étude, guidés par le diagramme de phase du CO2, nous explorons le comportement d'adsorption du CO2 solide chargé de charpente ZIF-8 en chauffant l'échantillon sous haute pression, ce qui entraîne une amélioration drastique de l'absorption de CO2. Le comportement du CO2 dans des conditions simultanées de température (T) et de pression (P) élevées est directement surveillé par spectroscopie FTIR in situ. L'amélioration remarquable de la capacité d'adsorption du CO2 observée peut être attribuée à l'effet synergique de T et P élevés : une température élevée améliore considérablement la propriété de transport du CO2 solide en facilitant sa diffusion dans la structure ; la haute pression modifie efficacement la taille et la forme des pores en modifiant l'orientation du lieur et en créant de nouveaux sites d'adsorption dans le ZIF-8. Notre étude fournit ainsi de nouvelles informations importantes sur l’accordabilité et l’amélioration de la capacité d’adsorption du CO2 dans les MOF/ZIF en utilisant la pression et la température combinées comme une approche synergique.

Pour relever les défis liés au réchauffement climatique, le captage et le stockage des gaz à effet de serre et en particulier du dioxyde de carbone revêtent une importance fondamentale. Par rapport aux méthodes basées sur la chimisorption à faible efficacité énergétique, les matériaux physisorbants solides tels que les charbons actifs, les zéolites, les structures métallo-organiques (MOF) et les structures imidazolates zéolithiques (ZIF), qui ont des capacités thermiques inférieures et nécessitent une énergie de régénération inférieure, ont attiré de plus en plus d'énergie. attention. En particulier, les MOF et les ZIF, en tant que sous-classe de MOF, sont devenus des matériaux poreux prometteurs pour le captage et le stockage des gaz à effet de serre. Ces matériaux ont des propriétés uniques telles qu'une surface spécifique très élevée, une porosité bien définie, une stabilité chimique et structurelle élevée ainsi que leur modularité et leur taille/fonctionnalité de pores réglables1,2. Toutes ces propriétés présentent un potentiel remarquable pour atteindre des performances optimales de captage et de stockage du CO2. Dans la grande famille des ZIF, le ZIF-8 [Zn(MeIm)2, MeIm = 2-methylimidazolate] est le membre le plus connu. ZIF-8 est construit en connectant chaque ion zinc de manière tétraédrique à quatre ligands méthylimidazolate individuels. Il présente une topologie sodalite (SOD) contenant des cages d'un diamètre de 11,6 Å et une ouverture de cage de 3,4 Å (Fig. S1 supplémentaire)3. Ces paramètres spécifiques permettent au ZIF-8 de présenter une excellente capacité d'adsorption envers les petites molécules de gaz avec des diamètres cinétiques appropriés4, dont les propriétés structurelles et les performances d'adsorption des gaz, y compris le CO2, ont été largement étudiées au cours de la dernière décennie dans des conditions ambiantes, des pressions externes élevées et à basses températures par méthodes expérimentales et informatiques5,6,7,8.

Des études récentes sur l'effet de pression dans différentes classes de MOF sont particulièrement intéressantes et ont révélé des comportements structurels très diversifiés 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. Parmi ceux-ci, les ZIF et en particulier le ZIF-8 soumis à une forte pression externe ont été examinés de manière approfondie21,22,23,24,25,26,27,28. Plus important encore, plusieurs études ont montré que l’application d’une pression externe élevée peut ajuster efficacement la capacité de stockage du CO2 dans les MOF/ZIF8,29,30,31,32. En effet, la pression externe peut modifier la topologie de la structure MOF/ZIF, modifier la taille et la forme des pores, améliorer les interactions hôte-invité entre la structure et le CO2 adsorbé, et même créer de nouveaux sites d'adsorption, conduisant à une capacité d'adsorption accrue du CO2. Cependant, à température ambiante, la solidification du CO2 se produit à une pression supérieure à 0,6 GPa33. Ce changement de phase du CO2 limite considérablement l'insertion ultérieure du CO2 dans les cavités du ZIF-8 à des pressions plus élevées puisque le CO2 solide est immobile et non diffusible. Ce problème peut être résolu si un mélange de CO2 solide et de ZIF-8 est chauffé à une température à laquelle le CO2 solide existant à l'extérieur du ZIF-8 est mobilisé, de sorte qu'un nombre significativement plus grand de molécules de CO2 puissent être pressées dans la structure des ZIF en pression. Plus important encore, les informations structurelles détaillées, la stabilité de la pression et de la température, ainsi que les propriétés d'adsorption du CO2 dans le ZIF-8 établies dans des études précédentes permettent de comprendre l'effet synergique possible des hautes P et des hautes T sur l'adsorption du CO2 dans le ZIF-8. Dans ce travail, en utilisant le diagramme de phase du CO233 comme guide et la spectroscopie IR in situ comme outil, nous avons examiné le comportement d'adsorption du CO2 du ZIF-8 dans une cellule à enclume de diamant (DAC) en appliquant simultanément une température et une pression élevées. À notre connaissance, il s'agit du premier rapport qui étudie le comportement de l'absorption de CO2 dans des conditions simultanées de P et de T élevées pour les MOF et en particulier pour le ZIF-8. Nos résultats montrent clairement que dans des conditions P – T élevées soigneusement contrôlées, l’absorption de CO2 du ZIF-8 est considérablement améliorée, ce qui en fait un matériau prometteur pour le stockage du CO2.