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Journée Scientifique de l’adsorption sur des surfaces et dans des matériaux poreux Chimie ParisTech 07 Avril 2011 Résumés des présentations orales et des présentations par affiche

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Page 1: Journée Scientifique de l’adsorption sur des et dans des ... · Bouchoucha Meryem, Maguy Jaber et Jean‐François Lambert. Laboratoire de Réactivité de surface, Université

          

Journée Scientifique de l’adsorption 

sur des surfaces et dans des matériaux poreux      

Chimie ParisTech ‐ 07 Avril 2011 

     

Résumés des présentations orales et des présentations par affiche 

   

Page 2: Journée Scientifique de l’adsorption sur des et dans des ... · Bouchoucha Meryem, Maguy Jaber et Jean‐François Lambert. Laboratoire de Réactivité de surface, Université

PROGRAMME  

Journée Scientifique de l’adsorption sur des surfaces et dans des matériaux poreux Chimie ParisTech – 07 Avril 2011 

 09H30 – 09H50 : Accueil des participants  09H50 – 10H00 : Introduction de la Journée   10H00 – 11H00 : 4 présentations de 15’   

• Study of the Surface Reactivity and Heterogeneity of Nanoscale Titanium Oxide Systems by using the “Probe Molecules” Methods. M. Ali Ahmad, B. Prélot, A. Razafitianamaharavo, J. M. Douillard, D. Olivier, Z. Jerzy, F. Villiéras, C. Chanéac

• Evaluation de l’hétérogénéité superficielle par chromatographie gazeuse inverse. H. Balard, E. Brendle • Adsorption et Réactivité de l’acide glutamique sur silice et silicates. B. Meryem, M. Jaber, Jean-

François Lambert • Adsorption d’acides de Brønsted et de Lewis à la surface de MgO :

calculs DFT, DRIFTS et réactions modèles. D. Cornu, H. Petitjean, G. Costentin, H. Guesmi, J. M. Krafft, H. Lauron-Pernot

11H00 – 11H30 : Session Posters + Pause Café   11H30 – 13H00 : 6 présentations de 15’  

• Etude de l'adsorption et de la désorption de l'hélium dans le Vycor : test expérimental pour les différents scénarios théoriques. F. Bonnet, M. Melich, L.Puech, P. E. Wolf, F. Despetis

• Nano-ménisques et états métastables dans les milieux poreux désordonnés. J. Puibasset • Influence de la déformation élastique sur le processus de désorption. A. Grosman, C. Ortega • Thermodynamique de l'adsorption dans des matériaux poreux flexibles. A. Boutin, F. X. Coudert, A. H.

Fuchs • Effect of strain on adsorption in nanopores. L. Brochard, M. Vandamme, R. J.-M. Pellenq, T. Fen-

Chong • Imbibition spontanée dans les aérogels de Silice. E. Kierlik, F. Leoni, M. L. Rosinberg, G. Tarjus

13H00 – 14H15 : Repas libre  14H15 – 16H00 : 7 présentations de 15’  

• Molecular Insight into the Adsorption and Diffusion of Water in the Versatile Hydrophilic/Hydrophobic Flexible MIL-53(Cr) MOF. S. Devautour-Vinot, G. Maurin, F. Salles, P. G. Yot, T. Devic, P. Horcajada, C. Serre, G. Ferey, S. Bourrelly, Philip Llewellyn, H. Jobic, G. Clet, M. Daturi, A. Vimont  

• Structure and dynamics of ionic liquids entrapped in nanoporous silica. B. Coasne, L. Viau, A. Vioux • Simulation moléculaire d'argile en présence d'eau et de CO2. V. Marry, M. Jardat, B. Rotenberg • Cathedral planar nanochannels containing titanosilicate mesoporous nanopillars for lab-on-ship

applications. D. Grosso, C. Sinturel, M. Faustini, M. Vayer, H. Amenitsch • Présentation de l’équipe adsorption de l’UMR6503 (Poitiers). S. Mignard, I. Batonneau-Gener • Comparaison des procédés VSA Vacuum Swing Adsorption et ESA Electrothermal Swing Adsorption

pour la capture de dioxyde de carbone des fumées de post combustion, C. Vallières, S. Pacault, G. Grévillot

• Stockage du CO2: expérimentation et modélisation de l'échange de gaz dans les charbons en vue d'un stockage du CO2. C. Garnier, G. Finqueneisel, T. Zimny  16H00– 16H30 : Session Posters + Pause Café   16H30 – 17H30 : Assemblée générale 

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Liste des posters

1. L’adsorption de l’oxygène induit la ségrégation du Pd dans les nanoparticules AuPd : évidence théorique. H. Guesmi, C. Louis, L. Delannoy

2. Etude par chromatographie liquide inverse de l’adsorption du squalene a la surface de silices. H. Balard, Z. Zhang, J. B. Donnet

3. Adsorption de l’acétique acétique par des emballages de protection utilisés dans la conservation préventive des objets culturels. C. Vallières, G. Grévillot, S. Pacault

4. La chromatographie gazeuse inverse ou comment suivre les modifications de surface de solides divisés sous l’effet de divers procédés (broyage, enrobage) ou conditions environnantes. R. Calvet, S. Del-Confetto, L. Boudriche, C. Tisserand, G. Lefebvre, L. Galet, A. Chamayou, H. Balard, B. Hamdi

5. Evaluation des propriétés de surface de montmorillonites modifiées par des POSS. E. Brendlé, Y. Grohens, J. Brendlé

6. Molecular Modelling of Chemical Functionalization of Zeolitic Imidasolate Frameworks. H. Amrouche, S. Aguado, J. Pérez-Pellitero, C. Chizallet, F. Siperstein, D. Farrusseng, C. Nieto-Draghi, N. Bats

7. Physisorption appliquée à l'étude de catalyseurs Fe/SBA, A. Davidson, C. Cornu, S. Casale, JP Bonardet, A. Davidson.

8. Adsorption and dynamics of molecules in hierarchical nanoporous materials. B. Coasne, R. Chal, A. Galarneau, C. Gerardin

9. Adsorption et désorption de l’hélium dans les aérogels de silice : un modèle de transition de phase hors-équilibre. F. Bonnet, G. Aubry, L. Guyon, M. Melich, P. Spathis, P. E. Wolf, E. Kierlik, F. Despetis

10. Extension of Poromechanics to Adsorption Effects. M. Vandamme, L. Brochard

11. Isothermes d’adsorption de type V de H2O et CO2 dans les MOFs. M. De Toni, S. Paranthaman, A. H. Fuchs, F. –X. Coudert

12. Guest-induced gate opening in zeolite imidazolate frameworks. S. Aguado, G. Bergeret, M. Pera-Titus, V. Moizan, C. Nieto-Draghi, N. Bats, D. Farrusseng.

13. Polyvalence des adsorbants zéolithiques pour le piégeage de traces de contaminants gazeux, L. Teyssier, N. Ben Khaled, J. Fromageot, P. Massiani, J.-L. Bonardet, T. Onfroy, S. Casale, J.-P. Bellat, G. Weber, I. Bezverkyy, V. Lena, E. de La Rochefoucauld, S. Alpérine.

14. Calorimétries aux interfaces solide/liquide : adsorptions, mécanismes et énergies de surface, B. Prélot, S. Devautour, E. Gérardin, F. Marchandeau, J. M. Douillard, J. Zajac.

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Présentations Orales 

  

Study of the Surface Reactivity and Heterogeneity of Nanoscale Titanium Oxide Systems by using the “Probe Molecules” Methods 

1,*Ali Ahmad Mouhamad, 1Prélot Bénédicte , 2Razafitianamaharavo Angelina, 1Douillard Jean Marc, 3Durupthy Olivier, 1Zajac Jerzy, 2Villiéras Frédéric, , 3Chanéac Corinne. 

1Institut Charles Gerhardt de Montpellier, UMR‐5253 CNRS‐UM2‐ENSCM‐UM1, AIME, C.C. 1502 Place Eugène Bataillon, F‐34095 Montpellier, France 2Laboratoire Environnement et Minéralurgie UMR 7569, Université de Lorraine, CNRS, ENSG, B.P 40, F‐54501 Vandoeuvre‐lès‐Nancy cedex, France 3Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris, UPMC, CNRS, UMR 7574, LCMC Paris, F‐75252 Paris, France 

* maliahma@univ‐montp2.fr 

 Uniform  titanium  nanoparticles  were  prepared  by  the  sol‐gel  method  through  the 

thermohydrolysis  of  various  precursors  (TiCl4  or  titanium  tetraisopropoxide)  in  the  presence  of  a variety of additives under various pH conditions. In the present work, original approach based on the adsorption  of  molecular  probes  in  relation  with  interfacial  reactivity  and  heterogeneity  was employed to obtain  important  information about surface energy of TiO2 nanoparticles (4‐50 nm)  in view of their potential applications in photocatalysis. 

The  number  and  the  strength  of  surface  acid  sites  were  evaluated  by  using  two‐cycle adsorption and flow‐microcalorimetry adsorption of NH3 from the gas phase. The results showed that the number of sites and the adsorption energy remain constant and high  in a size range between 4 and 10 nm even with the change of particle morphology. However,  it decreased significantly when the size exceeded 10 nm. 

The potentiometric titrations of aqueous TiO2 suspensions were carried out to determine the pHpzc (Point of Zero Charge) and then were interpreted also on the basis of the TITRIDIS procedure to evaluate  proton  affinity  (pK)  distribution.  The  pK  distributions were  assessed with  the  aid  of  the MUSIC model for the description of acid‐base properties of the various crystallographic faces. It was shown that the pHpzc decreased with the  increase of the size and that the 101 faces were the most acidic. 

Further characterization was realized by using quasi‐equilibrium measurements of Ar and N2 adsorption. The results revealed significant differences among the samples depending on their size, crystallographic form, or face distribution. 

  

Evaluation de l’hétérogénéité superficielle par chromatographie gazeuse inverse 

Henri BALARD et Eric BRENDLE 

Société Adscientis (www.adscientis.com), 1, rue Kastler, Parc Séquoia, 68 WITTELSHEIM 

 La  chromatographie  gazeuse  inverse  à  concentration  finie  (IGC‐CF)  est  une  méthode 

d’adsorption  dynamique  qui  permet  d’accéder  facilement  aux  isothermes  de  désorption  de molécules  de  nature  connue  dites  sondes.  La  procédure  utilisée,  dite  de  l’élution  du  point caractéristique  1  (ECP),  permet  de  déterminer  à  partir  d’un  seul  chromatogramme  l’ensemble  de 

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l’isotherme  dans  un  grand  domaine  de  pressions  relatives  (P/P0).  Les  chromatogrammes  sont obtenus en injectant, généralement à l’état liquide, des quantités connues de molécules sonde.  

L’exploitation  du  front  diffus  d’un  chromatogramme  permet  d’accéder  facilement  à l’isotherme  de  désorption  de  la  sonde  injectée.  En  effet,  la  dérivée  première  de  l’isotherme  est directement reliée au temps de rétention net de chaque point du chromatogramme. 

La  partie  de  l’isotherme  allant  de  0,05  à  environ  0,3  de  pression  relative  permet  de. déterminer la surface spécifique et la constante BET. L’hétérogénéité de la surface influe sur la forme du chromatogramme, il est donc possible par l’analyse de celle‐ci de remonter à des informations sur le  caractère  hétérogène  de  u  solide  étudiés  sous  la  forme  de  fonctions  de  distribution  (FD)  des énergies  d’adsorption  de  la  sonde  injectée.  Le  calcul  des  FD  repose  sur  un modèle  physique  qui suppose  que  l’isotherme  globale  est  égale  à  la  somme  pondérée  d’isothermes  locales, caractéristiques de domaines isoénergétiques.  

La  force  de  l’IGC  est  qu’elle  permet  d’utiliser  une  grande  variété  de  sondes  apolaires  ou polaires,  linéaires  ou  encombrées  stériquement  ce  qui  est  important  dans  la  mesure  où l’hétérogénéité superficielle relève à la fois de la géométrie et de la fonctionnalité de la surface. 

Dans  le  cadre  de  la  société  Adscientis,  de  très  nombreuses  analyses  ont  été menées  en utilisant  cette  méthode.  Elle  permet  de  mettre  en  évidence  l’influence  sur  les  propriétés superficielles d’un solide., 

D’un traitement chimique, thermique où mécanique (broyage), D’en évaluer le caractère hydrophyle /hydrophobe D’examiner l’influence de la vapeur d’eau , Divers exemples en illustreront les possibilités et les limites.  

1  ‐  J. R. CONDER, C. L. YOUNG, “ Physico‐Chemical Measurement by Gas Chromatography“, Wiley, New‐York, (1979) Chapitre 9. 

  

Adsorption et Réactivité de l’acide glutamique sur silice et silicates 

Bouchoucha Meryem, Maguy Jaber et Jean‐François Lambert. 

Laboratoire de Réactivité de surface, Université  Pierre et Marie Curie, CNRS‐UMR 7197 

 

L’adsorption des acides aminés a  fait  l’objet de nombreuses études de science des surfaces.  Il s’agit  essentiellement  d’études  structurales  effectuées  sur  des  surfaces  idéales  métalliques (monocristaux), sous vide poussé et en absence d’eau. Cependant, il serait plus intéressant, pour de nombreuses  applications,  de  comprendre  l’adsorption  des  acides  aminés  à  partir  des  solutions aqueuses.  

Nous  avons  étudié  l’adsorption  (adsorption  à  l’équilibre  et  adsorption  forcée)  d’acide glutamique  (Glu)  sur  silices  à  haute  surface.  Elle  a  été  caractérisée  d’un  point  du  point  de  vue quantitatif macroscopique par mesure d’isothermes d’adsorption  (HPLC) et DRX du  solide  final; et d’un point de vue moléculaire en ayant recours à des techniques spectroscopiques : IR et RMN. 

On observe une diversité de  l’interaction Glu avec SiO2 qui dépend de  la spéciation de  l’acide glutamique et de la nature de la surface minérale (nature des sites à la surface). 

Les  isothermes d’adsorption sont de Type  III  indiquant un  faible nombre de sites d’adsorption et/ou une  faible affinité pour  le Glu en  solution, accompagnée de  la possibilité de germination de surface de cristaux de Glu massique en présence de solutions de concentration suffisamment élevée. Ces informations se rapportent à l’interface silice/solution aqueuse. 

L’IR en transmission et la RMN MAS de 13C montrent un potentiel certain pour la caractérisation des formes adsorbées d’acides aminés, notamment dans le système Glu/SiO2 après séchage. Dans ce cas, une forme de Glu en interaction spécifique avec les sites de surface est mise en évidence et peut être discriminée de l’éventuel Glu massique. 

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Dans un second temps, l’étude de la réactivité thermique de l’acide glutamique adsorbé sur la  surface par TG, montre que  la polymérisation d'acides  aminés est  favorisée par  adsorption, ou plutôt par un  séchage à des  températures modérément élevées  (activation  thermique). La  surface joue donc un rôle très important dans la cinétique de cette réaction de condensation (elle catalyse la formation de liaisons peptidiques à température assez basse). 

Un phénomène  thermique  intéressant a été observé pour  le Glu supporté, qui n’a pas son équivalent  dans  la  chimie  thermique  des  autres  acides  aminés :  la  cyclisation  interne  de  l’acide glutamique  donnant  un  acide  pyroglutamique  dont  la  signature  est  observée  par  des  techniques spectroscopiques  (IR  et  RMN).  Ce  dernier  peut  évoluer,  dans  un  second  temps,  en  un  imide correspondant soit à un polymère, soit à un dimère tricyclique. 

  En  conclusion,  les  résultats obtenus  sont pertinents non  seulement pour  la  chimie prébiotique mais aussi pour  l’industrie des polymères :  les polypeptides  (acide polyglutamique) et leurs polyimides sont très utilisés de nos jours comme matériaux biodégradables.    

Adsorption d’acides de Brønsted et de Lewis à la surface de MgO : calculs DFT, DRIFTS et réactions modèles 

Damien Cornu, Hugo Petitjean, Guylène Costentin, Hazar Guesmi, Jean‐Marc Krafft, Hélène Lauron‐Pernot* 

Laboratoire de réactivité de surface, UPMC, 3 rue Galilée, 94200 Ivry‐sur‐Seine, France 

*[email protected] 

 L’oxyde  de  magnésium  est  un  catalyseur  basique  pour  de  nombreuses  réactions  de 

conversion  de  la  biomasse  (Knoevenagel  [1],  polyéthérification  [2],  aldolisation  [3], transestérification  [4])  dans  lesquelles  interviennent  des  acides  de  Brønsted.  Pour  être  réactif,  le catalyseur  doit  être  prétraité  pour  retirer  les  espèces  adsorbées  à  la  surface  (provenant  de l’adsorption d’eau et de CO2). L’objectif de notre étude est d’étudier la désorption de CO2 (un acide de Lewis) et la libération des sites actifs vis‐à‐vis des acides de Brønsted (le méthanol [5] et le but‐1‐ène sont choisis comme modèles). 

La modélisation de ces adsorptions sur  les  faces stables  (100) et sur  les principaux défauts (marche,  cran,  coin et bilacune  [5] de  l’oxyde de magnésium a été  réalisée grâce au  logiciel VASP 5.2.2. ). Les principaux résultats sont donnés ci‐dessous. 

Le  but‐1‐ene  est  un  acide  faible  et  ne  se  dissocie  que  sur  les  oxydes  très  faiblement coordinés,  soient  les  crans,  bilacunes  et  coins.  Ces mêmes  sites  dissocient  le méthanol,  qui  peut également  se  déprotoner  sur  les marches.  Au  contraire,  pour  le  CO2,  les marches  sont  les  sites d’adsorption  les plus forts, sur  lesquels  le carbonate peut se retrouver sous  la forme très stable de tridentate.  La mesure de  la basicité de  surface n’est donc pas équivalente  si  l’on emploie  comme sonde un acide de Brønsted ou de Lewis. 

 Site  Terrass Marche  Coin Bilacun Cran

Eads (CO2) (eV)  ‐0,12  ‐2,26  ‐1,54  ‐1,97  ‐2,02 (C)Eads (butene)  ‐0,08  ‐0,28  ‐0,34  ‐0,52  ‐0,55 

Eads (MeOH) (eV)  ‐0,50  ‐1,86  ‐1,60  ‐3,81  ‐2,48  Énergies d’adsorption de différents acides sur différents sites de MgO Pour le CO2, P signifie “physisorbé”, C “chimisorbé”, pour le but‐1‐ène et pour le méthanol, D 

signifie “dissocié” et U “non dissocié”  

Le calcul des  fréquences de vibration  théoriques de ces carbonates et  la comparaison avec les spectres DRIFTS expérimentaux permet de montrer que les carbonates tridentates peuvent rester à  la  surface  après un prétraitement à 600°C, alors que  les  carbonates adsorbé  sur des  coins  sont 

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retirés entre 400 et 600°C. Ces résultats permettent d’interpréter la réactivité catalytique de l’oxyde de magnésium  en  fonction de  son  taux de  carbonatation dans deux  réactions modèles  classiques dans le domaine de la catalyse hétérogène basique. 

 References 1.  H. and A. Fakhari, J. of Heterocyclic Chem. 46 p.1392, 2009 2.  A. M. Ruppert et al, Chem. Eur. J., 14 p. 2016, 2008 3.  V. K. Diez et al, J. of Catal. 240, p.235, 2006 4.  T. F. Dossin et al, Appl. Catal. B 67, p. 136, 2006 5.  H. Petitjean et al, J. of Phys. Chem. C 114, p.3008, 2010 

  

Etude de l'adsorption et de la désorption de l'hélium dans le Vycor : test expérimental pour les différents scénarios théoriques. 

 F. Bonnet 1*, M. Melich 1, L.Puech 1, P. E. Wolf 1, F. Despetis 2 

1 Institut Néel, CNRS Grenoble 

2 GES, CNRS‐Université Montpellier 2 

 Depuis  une  trentaine  d'années,  le  Vycor  est  utilisé  dans  de  nombreuses  expériences  et 

simulations numériques pour  tester  les différents modèles  théoriques construits pour comprendre l'adsorption dans  les matériaux mésoporeux. De par sa structure désordonnée et sa distribution de tailles  de  pores  étroite,  le Vycor  se  présente  comme  un matériau  intermédiaire  entre  les  poreux ordonnés (MCM‐41. . .) et désordonnés (aérogels...). Il nous a semblé particulièrement intéressant de voir  comment  s'inscrivait  le  Vycor  dans  les  débats  actuels  sur  la  désorption  (percolation  vs cavitation), l'adsorption (spinodale vs équilibre) et la fermeture du cycle d'hystérésis (point critique confiné vs cavitation).  

Nous avons réalisé des mesures d'isothermes d'adsorption et de désorption de  l'hélium sur un échantillon de Vycor (7930 présentant une porosité de 28% et un diamètre moyen de pore de 7 nm). La haute résolution de notre dispositif expérimental, à la fois sur la mesure de pression et sur la quantité  adsorbée,  donne  accès  à  de  nombreuses  informations,  notamment  sur  l'évolution  de  la forme  du  cycle  d'hystérésis  avec  la  température,  sur  la  fermeture  de  ce  dernier  ainsi  que  sur  le comportement  dynamique  du  système.  Par  ailleurs,  la  possibilité  de  faire  des mesures  optiques durant les isothermes permet de tester les différents scénarios pour la désorption.  

Nous présenterons  les  résultats expérimentaux  les plus pertinents en mettant  l'accent  sur leur impact sur les différents modèles théoriques. Nous détaillerons différentes caractéristiques des isothermes, position du palier de désorption et d'adsorption, densité et  compressibilité du  liquide confiné.  Nous  discuterons  également  la  fermeture  du  cycle,  l'existence  de  signal  optique  à  la désorption et de dynamiques lentes de relaxation. 

* Nouvelle adresse : INAC/SBT, UJF‐CEA Grenoble   

Nano‐ménisques et états métastables dans les milieux poreux désordonnés. 

J. Puibasset 

 Divers  milieux  poreux  (sols,  bétons,  catalyseurs,  silices  mésoporeuses,  etc.)  sont 

partiellement envahis par des fluides, en particulier  l'eau. On observe par ailleurs des phénomènes macroscopiques  non‐réversibles  rattachés  à  ces matériaux  (propriétés mécaniques,  adsorption  de fluide, etc.). L'étude par simulation moléculaire du cas particulier de l'adsorption de fluides dans des 

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milieux  poreux  désordonnés  permet  de montrer  que  les  phénomènes  d'hystérésis  rattachés  aux isothermes d'adsorption / désorption sont directement  liés à  la présence de nano‐ménisques ou de nano‐gouttes  de  fluide  piégés  dans  les  hétérogénéités  physico‐chimiques  du  substrat.  On s'intéressera  par  ailleurs  à  leur  coexistence  due  au  fait  qu'ils  partagent  généralement  une  phase gazeuse commune. Il apparait par ailleurs  indispensable de prendre en compte  l'influence mutuelle de  ces ménisques pour  comprendre de manière précise  les phénomènes d'hystérésis. On utilisera pour cela une approche multi‐échelle qui nous permettra d'étudier les états métastables étendus sur de  nombreuses  hétérogénéités,  et  leur  densité  de  distribution  dans  la  boucle  d'hystérésis d'adsorption/désorption. 

 J. Puibasset, J. Chem. Phys. 127 (15), 154701 (2007) ; Langmuir 25 (2), 903 (2009), J. Chem. 

Phys. 133 (10), 104701 (2010), J. Phys.: Condens. Matter 23 (3), 035106 (2011).   

Influence de la déformation élastique sur le processus adsorption/désorption 

Annie Grosman et Camille Ortega 

Institut des NanoSciences de Paris, Université Paris 6, UMR‐CNRS 75‐88, France 

 

Ce  travail  fait  suite  à  l'enquête  que  nous  menons  pour  expliquer  le  comportement hystérétique  d'un  fluide  confiné  dans  un  matériau  poreux,  prenant  en  compte  la  déformation élastique du  solide  [1‐6]. Nous étudions  l'adsorption de N2  (77.4K et 51.3K) et d'Ar  (60K) dans des couches duplexes de Si poreux, Si/A/B et Si/B/A, où  les pores de A sont plus étroits que ceux de B. Nous comparons  les  isothermes expérimentales à celle calculées à partir des  isothermes mesurées dans les couches A et B supportées ou détachées du substrat de Si. 

Dans Si/A/B, A et B se remplissent et se vident indépendamment l'une de l'autre comme elles le  font  lorsque  chacune  d'elles,  supportée  par  son  substrat  de  Si,  est  en  contact  direct  avec  le réservoir de gaz. Les déformations élastiques subies par chaque couche au cours de  l'adsorption ne sont pas transmises  longitudinalement d'une couche à  l'autre. Comprimer ou étirer une partie d'un ressort ne change pas l'état de compression ou d'étirement du reste du ressort ! 

Dans  Si/B/A,  la  couche  A  qui  a  des  parois  'pendantes'  à  l'interface  avec  la  couche  B,  se comporte  comme  une membrane.  La  relaxation  partielle  de  la  contrainte  du  substrat modifie  les déformations  induites par  l'adsorption et  conduit à une diminution de  la quantité adsorbée avant condensation capillaire et à une augmentation de la pression de condensation. Ce résultat confirme nos  précédentes  études  où  nous  expliquions  pourquoi  les  isothermes  des  couches  supportées  et détachées du substrat de Si sont distinctes [4‐6]. 

Dans la configuration Si/B/A en 'bouteille d'encre', B se vide par cavitation, A restant pleine. La  nucléation  de  bulles  de  gaz  commence  à  se  produire  dans  B  à  pv

cav = 0,78   sous  l'effet  de  la pression négative du liquide créée sous les ménisques concaves 'piégés' en haut de A. 

Selon  l'équation  de  Kelvin‐Laplace,  la  cavitation  dans  la  couche  B  de  Si/B/A,  a  lieu  à pl

cav ≈ −4,5MPa, qui est très  inférieure, en valeur absolue, à  la pression (≈ −15,4MPa) prévue par la théorie de la nucléation homogène. La cavitation ne se produit donc pas dans le volume du liquide mais sur les parois des pores. La cavitation est hétérogène. 

L'angle de contact, θ , entre le solide et l'interface liquide‐vapeur de la bulle, correspondant à la  pression  de  fracture  du  liquide,  pl

cav ,  est  > π /2.  La  structure  des  interfaces  solide‐liquide  et solide‐vapeur est donc telle que  γ sl − γ sv > 0 . Un ménisque concave avec θ < π /2  ( γ sl − γ sv < 0 ) à l'intérieur d'un pore et une bulle de gaz avec  θ > π /2  ( γ sl − γ sv > 0 ) s'excluent mutuellement. Les ménisques  qui  se  forment  à  l'extrémité  des  pores  y  restent  'piégés'  et  imposent  la  valeur  de  la pression du  liquide qui s'évapore par cavitation. Ce  résultat  remet en cause  la notion de  'receding meniscus' qui est à  la base du modèle de Cohan et du mécanisme pore‐blocking/percolation selon 

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lequel  la  désorption  dans  les  matériaux  poreux  est  contrôlée,  in  fine,  par  la  propagation  de ménisques concaves dans les constrictions. 

Nous  rapportons, pour  la première  fois,  l'observation d'un phénomène de  cavitation dans l'azote (51.4K) et l'argon (60K) solides confinés dans des mésopores. Dans le cas de l'Ar à 60K dans la couche Si/B/A, nous  trouvons que  le  vidage d'une  fraction des pores de A a été déclenché par  le transfert des atomes d'Ar de B vers A. Ce résultat constitue  la première observation directe d'états métastables dans un fluide confiné. 

[1] Coasne B., Grosman A., Ortega C. et Simon M. Phys. Rev. Lett. 88, 256102 (2002). [2] Grosman A., Ortega C. Langmuir 21, 10515 (2005). [3] Grosman A., Ortega C. Langmuir 24, 3877 (2008). [4] Grosman A., Ortega C. Phys. Rev. B 78, 085433 (2008). [5] Grosman A., Ortega C. Langmuir 25, 8083 (2009). [6] Grosman A., Ortega C. Appl. Surf. Science 256, 5210 (2010). [7] Grosman A., Ortega C. Langmuir 27, 2364 (2011).            

Thermodynamique de l'adsorption dans des matériaux poreux flexibles. 

A. Boutin, F. X. Coudert, A. H. Fuchs 

Ecole Normale Supérieure, Chimie ParisTech & CNRS 

Les matériaux nanoporeux hybrides organiques‐inorganiques de  type MOFs  (Metal Organic 

Framework), présentent une gamme extrêmement variée de structures cristallines et de propriétés qui  confère  à  cette  classe  de matériaux  des  applications  potentielles majeures  en  lien  avec  les thématiques  énergétiques  et  environnementales.  Les matériaux  de  la  sous‐famille  des  SPC  (Soft Porous Crystals), lors de l'exposition à un stimulus de très faible intensité (lumière, champ électrique, présence  de  gaz...),  voient  leur  charpente  subir  des  changements  de  grande  amplitude,  tout  en maintenant  son  caractère  cristallin. C’est  le mécanisme de  ce  couplage  stimulus‐déformation que nous avons étudié, en proposant un cadre thermodynamique général adaptant la notion d’ensemble osmotique. Nous avons pu montrer que dans le cas très spectaculaire de la MIL‐53 le phénomène dit de « respiration » (qui consiste en une double transition de phase entre une structure «ouverte» et une structure «fermée » de ce matériau, se produisait pour n’importe quel type de fluide adsorbé, contrairement  à  ce  qui  avait  été  postulé  dans  un  premier  temps  par  les  découvreurs  de  ce phénomène. 

 Review :  F.‐X.  Coudert,  A.  Boutin,  M.  Jeffroy,  C.  Mellot‐Draznieks  &  A.H.  Fuchs 

“Thermodynamic Methods  and Models  to  Study  Flexible Metal–Organic."  Chem.  Phys.  Chem.  12 (2011) 247‐258. 

   

  

N2 adsorption isotherms at 77.4 K, for Si/A/B andSi/B/A porous Si duplex layers, schematicallyrepresented in inset. The lines between theexperimental points are guides for eye. 0

5

10

15

20

Si/A/B

Si/B/A

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Ads

orbe

d am

ount

(cm

3 ST

P)

Relative pressure0.6 0.8 10 0.2 0.4

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Effect of strain on adsorption in nanopores. 

L. Brochard, M. Vandamme, R. J.‐M. Pellenq, T. Fen‐Chong 

Université Paris‐Est, Laboratoire Navier, Ecole des Ponts ParisTech, Cité Descartes, 77455 Marne‐la‐Vallée cedex 2, France 

Understanding how adsorption evolves with the mechanical strain is crucial because it is the 

key point that explains the impact of adsorption on the mechanics of a porous solid1. In this work we studied the influence of the strain on the adsorption behavior of a fluid, by molecular simulation. 

In a  first series of simulations, we considered one‐dimensional  systems. We simulated  two model elastic chains containing nanopores and subjected to the adsorption of a Lennard‐Jones fluid. The first chain is a crystalline chain in which all nanopores are of the same size, whereas the second chain  is  an  amorphous  chain  in  which  the  nanopore  sizes  are  of  random  sizes.  The  adsorption behaviors depended in a complex manner on the strain for the crystalline chain, but this dependency was  simply  linear  for  the  amorphous  chain. This difference  stems  to  the  commensurability of  the nanopores to the size of the adsorbed molecules. The consequence on the mechanics is complex and non‐monotonic  (making  the  solid  swell  or  shrink  depending  on  the  chemical  potential  of  the adsorbed fluid) in the case of the crystalline chain. In contrast, the elastic behavior of the amorphous chain remains linear (i.e., with a constant apparent bulk modulus) and an adsorption of fluid always made the solid swell. 

Then we focused on a three dimensional nanoporous material, whose matrix is amorphous.  This material is representative of coal and we simulated methane adsorption. The adsorption 

behavior  computed  depended  only  partly  linearly  on  the  strain,  unlike  the  amorphous  chain. We attributed this result to the lack of representativeness of the molecular model. Indeed the behavior simulated  is consistent with  the swelling observed  in regular adsorption experiments  for  the  linear part. Therefore, methane is expected to make coal swell, as was observed for the amorphous chain. 

 1 See presentation “Extension of Poromechanics  to Adsorption Effects”  ‐ M. Vandamme,  L. 

Brochard, R. J.‐M. Pellenq, T. Fen‐Chong   

Imbibition spontanée dans les aérogels de Silice. 

Edouard Kierlik, Fabio Leoni, Martin Luc Rosinberg et Gilles Tarjus  

 L'imbibition spontanée, c'est‐à‐dire la montée capillaire d'un liquide visqueux dans un solide 

poreux, est un phénomène courant dont l'interprétation à l'échelle macroscopique a été proposée il y a fort longtemps par Lucas et Washburn : le ménisque monte dans le solide comme la racine carrée du  temps en  raison de  la  compétition entre une  force  capillaire  constante et une  force visqueuse croissante au fur et à mesure de l'ascension. Néanmoins, aux échelles nano et/ou mesoscopiques, la morphologie  désordonnée  des matériaux  induit  une  dynamique  complexe  de  l'interface,  comme l'illustrent  des  expériences  récentes  d'imbibition  de  l'hélium  dans  des  aérogels  de  silice.   Un changement  qualitatif  du  comportement  du  fluide  se  produit  en  fonction  de  la  porosité  et  de  la température qui rappelle les observations faites dans les expériences d'adsorption en phase gazeuse.  

Pour interpréter les expériences, nous modélisons le système comme un gaz sur réseau dans lequel  la  microstructure  de  l'aérogel  est  obtenue  par  un  processus  de  diffusion  limitée  par l'agrégation  (DLCA). La dynamique du  fluide est décrite dans  le cadre d'une  théorie dynamique de champ‐moyen, garantissant  la  conservation de  la masse. Nos  résultats  révèlent effectivement une relation étroite entre imbibition et adsorption. Le front principal d'imbibition est précédé par un film précurseur et  la  loi de  Lucas‐Washburn est en  général  vérifiée, bien que des déviations  semblent exister dans les aérogels les plus légers. La rugosité de l'interface est influencée par le confinement et 

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le mouillage le long des brins d'aérogels. Nos résultats ne sont que partiellement en accord avec les observations expérimentales et remettent en question leur interprétation."  

  

Molecular Insight into the Adsorption and Diffusion of Water in the Versatile Hydrophilic/Hydrophobic Flexible MIL‐53(Cr) MOF 

Sabine DEVAUTOUR‐VINOT 1, Guillaume MAURIN 1, Fabrice SALLES 1, Pascal G. YOT 1, Thomas DEVIC 2, 

Patricia HORCAJADA 2, Christian SERRE 2, Gérard FEREY 2, Sandrine BOURRELLY 3, Philip LLEWELLYN 3, Hervé JOBIC 4, Guillaume CLET 5, Marco DATURI 5, Alexandre VIMONT 5  

1‐ Institut Charles Gerhardt Montpellier – UMR CNRS 5253, UM2 ‐Université Montpellier 2  

2‐Institut Lavoisier, UMR CNRS 8180, Université de Versailles Saint‐Quentin‐en‐Yvelines 3‐Laboratoire Chimie Provence, Universités d’Aix‐Marseille I, II et III ‐ UMR CNRS 6264 

4‐Institut de Recherches sur la Catalyse et l’Environnement de Lyon, UMR 5256, Université Lyon 1. 

5‐Laboratoire Spectrochimie et Catalyse UMR 6506, ENSICAEN, Caen. 

 Prior  to  envisage  any  implication  of MOF materials  in  industrial  applications  such  as  gas 

storage/separation, it is of primary importance both to examine their stability under humidity and to understand the interactions between water and MOF surfaces. Regarding the flexible MIL‐53(Cr), the situation becomes more complex due to the breathing effect. Indeed the shrinkage of the framework and the reopening of the structure upon water adsorption, followed by Dielectric Spectroscopy and Differential  Scanning  Calorimetry  to  analyze  the  structural  transition,  also  lead  to  a  crucial modification of  the hydrophobicity/hydrophilicity  character of  the  structure. Combining molecular simulations (Grand Canonical Monte Carlo and Molecular Dynamics) with experimental data (Quasi‐Elastic  Neutron  Scattering,  Gravimetry/Volumetry,  Calorimetry  and  Dielectric  Spectroscopy),  both the  adsorption  and  diffusion  mechanisms  are  elucidated  in  the  large  and  narrow  pore  forms, illustrating  a  pronounced  hydrophilic  character  of  the  narrow  pore  form  contrasting  with  the intermediate hydrophobic behavior of the large pore form of the MIL‐53(Cr) compared to the highly hydrophobic character of  the MIL‐47(V),  isostructural  to  the  large pore  form of  the MIL‐53(Cr). On the other hand, the diffusion processes  in these structures have been elucidated: the self‐diffusion mechanism is described by a 1D mechanism very similar to the one already determined for H2 in the large pore form and a single‐file 1D mechanism  in the narrow pore form,  in which the formation of water clusters has a fundamental play. 

This  anomalous  behavior  of  the  MIL‐53(Cr)  upon  water  adsorption,  implying  a  strong modification of  its hydrophilic/hydrophobic  character, opens a promising way  in order  to  improve the selectivity of MOFs in industrial applications such as purification of alcohols or capture of CO2 in ambient  conditions, without  functionalization or post‐synthetic procedures, but only a  simple and cheap structural transition. 

  

Structure and dynamics of ionic liquids entrapped in nanoporous silica 

B. Coasne*, L. Viau, A. Vioux 

Institut Charles Gerhardt Montpellier, CNRS/ENSCM/University Montpellier, France; [email protected] 

 The simplest definition of  ionic  liquids (ILs)  is “liquids composed solely of  ions”. Usually the 

term  is  restricted  to  salts  having  melting  points  below  100°C  (higher  temperature  melts  are commonly referred to as molten salts). An important strategy for using ILs is to immobilize them by 

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impregnation of supports or incorporation in porous solids; the IL being used as an adsorbed film or by incorporation into a silica substrate, typically as solid‐like systems called ionogels. In order to gain insights into the physical and chemical properties of ionogels, we performed a molecular simulation study of an  imidazolium‐based IL entrapped within a cylindrical silica nanopore (Figure). Our results show  a  significant  stiffening  of  the  confined  IL  controlled  by  the  loading. A  decrease  in  the  self‐diffusivity and  ionic  conductivity, which are always  lower  than  the bulk due  to  strong  interactions with the hydroxylated surface, is observed upon decreasing the loading. Such a slowing down of the dynamics and  transport  is associated with an  increase  in  the  residence  time at  the  surface as  the pore center becomes depleted in ionic liquid. Despite the ordering of the ionic liquid at the surface, the pair correlation functions and magnitude of the dynamics evidence a liquid behavior. 

  

 

    Fig.  Typical  molecular 

configuration showing an imidazolium IL confined  in  a  silica  nanopore  of  a diameter D = 4.8 nm.  

  

Simulation moléculaire d'argile en présence d'eau et de CO2. 

Virginie Marry1, Alexandru Botan1,2, Benjamin Rotenberg1, Pierre Turq1, Benoît Noetinger2 

1. Laboratoire PECSA, UMR 7195, UPMC et CNRS, 4 place Jussieu, 75005 Paris 

2. IFP ‐ Energies Nouvelles, 1‐4 avenue de Bois‐Préau, 92852 Rueil‐Malmaison 

La mise  en  contact d'une  argile hydratée  avec un  gaz peut  conduire  à divers  scénarios. A 

faible  pression  partielle,  le  gaz  dissous  dans  l'eau  saturant  les  pores  peut  simplement  diffuser  à travers  le matériau, ou bien donner  lieu à des transformations chimiques tant de  la solution porale que  du  solide.  Pour  des  pressions  partielles  suffisantes,  de  nouveaux  processus  doivent  être envisagés: l'apparition d'une phase gazeuse dans la porosité interparticulaire, l'entrée du gaz dans la porosité  interfoliaire, ou même  la dessiccation de cette même porosité. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences allant de la modification des propriétés de transport de l'eau et des ions à un déséquilibre mécanique et l'apparition de fractures (et bien sûr une réactivité accrue, le cas échéant). Il s’agit dès lors de prévoir les propriétés thermodynamiques, structurales et dynamiques du système argile/solution/gaz en fonction des conditions. 

La modélisation moléculaire est un outil précieux dans cette démarche, puisqu'elle permet de prendre en  compte  les  interactions au niveau atomique. Ceci est  indispensable pour décrire  la porosité  interfoliaireet  le  voisinage  immédiat  des  surfaces  externes,  qui  contrôle  notamment  les propriétés  de mouillage  par  les  différents  fluides  ou  les  conditions  aux  limites  hydrodynamiques. Dans des pores de quelques nanomètres,  la validité des modèles continus pour décrire  le transport doit être  testée, et  la nécessité d'adapter  les paramètres de ces modèles  (par exemple  la viscosité des fluides) doit être envisagée. Notons cependant que  les questions  liées à  la réactivité du gaz ne peuvent être traitées simplement avec les simulations moléculaires classiques. 

Dans  le cadre du stockage géologique du dioxyde de carbone, une couverture argileuse est en  contact  avec  une  bulle  de  CO2  (supercritique),  et  les  phénomènes  ci‐dessus  doivent  être envisagés.  Par  des  simulations  de  type Monte‐Carlo  dans  l'ensemble  grand‐canonique,  au  cours 

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desquelles  l'argile échange de  l'eau et du CO2 avec un  réservoir  fixant  leur potentiel  chimique, on peut  déterminer  la  composition  du  système  en  fonction  de  la  distance  entre  surfaces,  puis  en déduire  les  états  thermodynamiquement  stables  du  système  en  fonction  des  conditions  dans  le réservoir et de  la pression s'exerçant sur  les surfaces. Dans un deuxième temps, des simulations de dynamique moléculaire  permettent  de  déterminer  les  propriétés  structurales  et  dynamiques  du système. Nous présenterons des  résultats concernant  la porosité  interfoliaire  (et  l'éventualité d'un retrait  de  l'argile  au  contact  d'un  réservoir  de  CO2),  ainsi  que  la  porosité  interparticulaire  (où  la possibilité d'une description hydrodynamique continue est discutée). 

 Référence: Botan  et  al.,CarbonDioxide  in Montmorillonite  Clay Hydrates:  Thermodynamics,  Structure, 

and Transport fromMolecular Simulation.J. Phys. Chem. C114, 14962‐14969 (2010).   

Cathedral planar nanochannels containing titanosilicate mesoporous nanopillars for lab‐on‐ship applications. 

D. Grosso, C. Sinturel, M. Faustini, M. Vayer, H. Amenitsch 

Laboratoire Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP), UMR‐7574 UPMC‐CNRS, Collège de France, 11, place Marcelin Berthelot, 75231 Paris Cedex 05 

 "An  original,  easy  to  scale  up,  low  cost  and  robust method  to  construct  large  areas  of 

extremely homogeneous micro/nano fluidic diffusion planar channels, exhibiting a unique and  ideal structure  in  Cathedral,  is  described.  To  the  best  of  our  knowledge,  these  systems  are  the  first promising example of mesoporous materials applied to micro‐nano fluidics, opening thus the whole land of “lab‐on‐ship” domain to mesoporous materials. They also constitute direct examples of the complex hierarchical structure that is achievable when combining chemical advanced strategies and processing, such as self‐assembly of block copolymer, sol‐gel chemistry, and highly controlled  liquid deposition, with  lithography techniques. These Cathedral  layers are solid coatings, composed of 20 nm in diameter vertical pillars, organised into 2D compact hexagonal array, and on top of which lays a continuous solid layer playing the role of a “roof”. The distance between pillars is typically that of the their diameter, while pillar height and roof thickness can be independently adjusted between 20 and  400  nm.  The  inner  structure  and  chemical  nature  of  the  pillars  and  roofs  can  be  selected amongst  the bottom‐less pool of materials  that can be prepared by sol‐gel processes. However,  in the present work, we will only demonstrate  such  cathedrals  for  SiO2,  TiO2,  and mixed  SiO2‐TiO2 materials,  bearing  ordered  mesoporosity  with  pores  of  various  dimensions  and  organisations. Eventually,  these  cathedral  layers have been patterned using deep X‐ray  lithography. While  these novel materials could be of  interest  for many specific applications  in nanotechnology, we will here focus  on  their  ability  to  vehicle  fluids  through  natural  capillary  forces,  for  which  the  classical Weshburn’s model of diffusion is verified." 

  

Présentation de l’équipe adsorption de l’UMR6503 (Poitiers) 

S. Mignard, I. Batonneau‐Gener 

 L’équipe dédiée à  l’adsorption évolue au sein du LACCO (Laboratoire de Catalyse en Chimie 

Organique‐UMR6503) de  l’Université de Poitiers.  Il est actuellement  composé de 3 permanents  (1 professeur et 2 maitres de conférence) et de 2 étudiants (1 doctorant, 1 post‐doctorant). Les moyens sont constitués de 2 microbalances  (mesure des  capacités et des cinétiques d’adsorption et calcul 

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des  chaleur d’adsorption), 1 montage  volumétrique pour  l’étude de  l’adsorption des mélanges de gaz, 2 montages d’adsorption dynamique (tracé des courbes de perçage) et 1 montage d’adsorption dynamique  dédié  à  la mesure  de  l’indice  d’hydrophobicité  (adsorption  simultanée  d’eau  et  d’un autre  composant  –  généralement  un  hydrocarbure‐).  Les  sujets  qui  ont  été  traités  ces  dernières années sont très divers : dépollution de l’air (air intérieur automobile, rejets industriels), dépollution de  l’eau  (mise  au  point  de  solides  pour  l’adsorption  de  composés  phytosanitaires),  libération contrôlée  de  produits  phytosanitaires  dans  les  sols.  Les  sujets  actuellement  traités  concernent  la mise au point de  solide pour  l’adsorption de CO2  (en vue de  la conversion catalytique du CO2) et l’adsorption de polluants atmosphériques sur solides basiques). Enfin,  l’équipe adsorption s’appuie sur  les moyens  techniques  (BET, FTIR, DRX, ATD‐ATG) et humains de  l’UMR  (collaborations pour  la synthèse et modification d’adsorbants sélectifs). 

  

Comparaison des procédés VSA Vacuum Swing Adsorption et ESA Electrothermal Swing Adsorption pour la capture de dioxyde de carbone des 

fumées de post combustion  

Cécile Vallières, Stéphanie Pacault, Georges Grévillot 

LRGP‐CNRS, 1 rue Grandville, 54001 Nancy, France 

 La capture du CO2 des fumées de post combustion des centrales thermiques est un challenge 

technique  important.  Les procédés d’adsorption peuvent être utilisés pour  capturer  le CO2 de  ces effluents très dilués et très volumineux (débits supérieurs à 106 m3.h‐1, teneur en CO2 Vol % = 12‐15 %). Des procédés existant tels que le PSA (Pressure Swing Adsorption) et le TSA (Temperature Swing Adsorption) ont été utilisés pour la séparation de COV. Ces deux procédés ne semblent pas adaptés pour  la  capture  du  CO2.  Le  premier  nécessite  une  compression  de  flux  gazeux  très  important.  Le second est très énergivore et produit du CO2 dilué inintéressant pour le stockage.  

Dans cette étude nous avons comparés deux autres procédés d’adsorption qui permettent 1. De  traiter  des  débits  d’effluents  gazeux  très  importants  sans  augmentation  de  la 

pression pour capturer le maximum de dioxyde de carbone contenu dans les fumées. 2. Récupérer du CO2 pur 3. Réduire les coûts énergétiques de l’étape de régénération  

 Les procédés étudiés  sont  le VSA  (Vacuum  Swing Adsorption),  l’ESA  (Electrothermal  Swing 

Adsorption)  ainsi  qu’un  couplage  ESA‐VSA.  Les  différentes  possibilités  ont  été  testées expérimentalement  puis  théoriquement  par  modélisation.  Celle‐ci  implique  la  connaissance  des isothermes  à  différentes  températures  et,  éventuellement,  compositions  sur  les  adsorbants  en l'occurrence  une  zéolite  5A  et  un  adsorbant  composite.  La modélisation  a  permis  de  tester  des configurations  non  réalisables  au  laboratoire.  La  question  de  l'humidité  des  flux  entrants  reste  à traiter. 

       

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Stockage du CO2: expérimentation et modélisation de l'échange de gaz dans les charbons en vue d'un stockage du CO2 

Ch. Garnier, G. Finqueneisel, T. Zimny 

Laboratoire de Chimie et de Méthodologies pour l'Environnement, Institut Jean Barriol – Fédération de Recherche 2843, Université Paul Verlaine Metz, rue Victor Demange – BP 80105, 57500 Saint‐Avold (France) 

 Dans  le  cadre  de  l’ANR  CharCo  (consortium  entre  le  BRGM,  le  LAEGO,  le  LCME,  L’INERIS, 

L’ISTO et Total), nous avons étudié l'adsorption du CO2, du CH4 ainsi que l’influence de l’humidité sur la capacité d’adsorption du CO2 de certains charbons.  

La modélisation des  isothermes d'adsorption du CO2 et du CH4 a été  faite en  retenant  les modèles de Langmuir, Tóth, Temkin. La synthèse des  résultats obtenus pour nos charbons met en évidence une disparité  importante des capacités d’adsorption du CO2 pour  les différents charbons étudiés,  avec  des  capacités maximales  s’étalant  de moins  de  1 mmol/g  à  plus  de  2 mmol/g  de matière  sèche.  Pour  tous  les  charbons  analysés,  la  capacité  d’adsorption  du  méthane  est systématiquement moins  importante que celle du CO2. Un classement des charbons a été réalisé à partir de certains paramètres de ces modèles et selon leur affinité relative pour le CO2 et le CH4. 

Bien  que  l’influence  de  l’eau  semble  avoir  une  influence  néfaste  sur  les  capacités d’adsorption  si  l’on  regarde  l’isotherme dans  son  intégralité  (de 0  à 50 bars), nous nous  sommes intéressés à ce qu’il se passait aux faibles pressions. L'influence du taux d'humidité sur  l'adsorption de  CO2  a  donc  été  complétée  à  pression  atmosphérique.  Une  équation  de mélange  permet  de modéliser  les  isothermes  d'adsorption  obtenues  et  de  mettre  en  évidence  4  types  de comportement :  le mutualisme (la présence d’eau favorise  l’adsorption des premières molécules de CO2  et  réciproquement),  l’inhibition  de  H2O  (l’adsorption  de  l’eau  reste  inchangée  mais  gène l’adsorption du CO2),  le parasitisme par CO2  (le CO2 chasse et remplace  l’eau) et  la compétition. La comparaison de ces comportements avec  la constante K0 du modèle de Temkin, nous a permis de discriminer  les charbons ayant un comportement potentiellement  favorable à  l’adsorption du CO2, mais aussi d’avoir une mise en évidence de  la diversité des comportements de  l’adsorption  lorsque nous sommes en présence d’eau. 

En  complément,  l'étude des mécanismes d’adsorption du CO2 par  IRTF  en mode  réflexion diffuse  a  permis  de  mettre  en  évidence  l’influence  des  caractéristiques  des  charbons  et principalement la présence et la nature de minéraux. Nous avons essentiellement de la physisorption du CO2 sur la surface des charbons sous forme adsorbée ou confiné. 

 

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Présentations par posters 

  

L’adsorption de l’oxygène induit la ségrégation du Pd dans les nanoparticules AuPd : évidence théorique 

Hazar GUESMI,  Catherine LOUIS, Laurent DELANNOY 

UPMC ‐ Université Pierre et Marie Curie, Laboratoire de Réactivité de Surface, UMR 7197, CNRS, 4 place Jussieu, 75252 Paris, France.  

[email protected] 

 De  point  de  vue  thermodynamique  l’or,  dans  le  système  d’alliage  Au‐Pd,  a  tendance  à 

ségréger  sur  la  surface.  Cependant,  la  ségrégation  inverse  du  Pd  en  présence  de  CO  et O2  a  été expérimentalement démontrée. Ce changement structural  induit bien évidement à un changement de la réactivité des nanoparticules. De ce fait, la détermination de la structure et de l’ordre chimique de  la  surface  de  ces  alliages  en  présence  de  réactifs  est  une  étape  cruciale  pour  l’étude  de  la réactivité. 

Dans  cet  exposé  nous  présenterons  les  résultats  de  calculs  théoriques  (Théorie  de  la fonctionnelle de la Densité) de l’énergie de ségrégation du Pd en présence d’oxygènes adsorbés sur la surface de  l’alliage Au‐Pd. La ségrégation du palladium, sous  forme d’atome  isolé ou de dimère, semble dépendre du recouvrement en oxygène [1] et est différente en fonction de l’orientation de la surface étudiée.     

  Référence :  1.  H. Guesmi, C. Louis, L. Delanoy, Chem. Phys. Lett., 503 (2011) 97.   

Etude par chromatographie liquide inverse de l’adsorption du squalene a la surface de silices. 

Henri BALARD, Zhentao ZHANG, Jean‐Baptiste DONNET 

Labo Chimie Physique (ENSCMu), ENSISA‐W, 11 rue Werner 68093 MULHOUSE 

 Cette  étude  porte  sur  l'adsorption  du  squalène,  molécule  modèle  du  polyisoprène,  en 

solution  dans  l'heptane,  sur  des  silices  pyrogéniques,  initiales  et  silanisées,  à  l’aide  de  la chromatographie liquide inverse par analyse frontale (CLI). 

Elle  a  été  appliquée  à  l'étude  de  l'adsorption  du  squalène  sur  une  série  de  silices pyrogéniques dont la surface spécifique varie de 50 à 380 m2/g. Elle a permis de mettre en évidence la transition entre surface plane et rugueuse qui intervient au‐dessus de 200 m2/g. 

La  capacité  d'adsorption  du  squalène  par  des  silices  pyrogéniques  modifiées  de  façon contrôlée par  le triméthylchlorosilane a été aussi examinée.  Il a été mis en évidence une évolution complexe des propriétés superficielles, avec  le taux de recouvrement de  la surface par  les groupes triméthylsilyl. 

Les  fonctions  de  distribution  des  énergies  d'adsorption  du  squalène  ont  été  déterminées pour toutes les silices étudiées. Leurs évolutions en fonction de leurs caractéristiques confirment et complètent les résultats obtenus par l'examen des isothermes d'adsorption. 

 

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Adsorption de l’acétique acétique par des emballages de protection utilisés dans la conservation préventive des objets culturels 

Cécile Vallières, Georges Grévillot, Stéphanie Pacault 

 L’effet néfaste de  la pollution sur  les objets d’art est connu. Une solution pour protéger  les 

objets  est d’utiliser des  atmosphères  confinées. Ceci  est d’autant plus  indispensable  si  l’objet  lui‐même est source de composés organiques volatils issus de sa dégradation naturelle.  

De l’acide acétique est produit par décomposition de la cellulose des étagères en bois ou des feuilles de papier des livres. Les capacités d’adsorption de plusieurs papiers de conservation vis‐à‐vis de l’acide acétique ont été mesurées. Les adsorbants incorporés dans le papier de conservation sont: des zéolites, du charbon actif sous forme de grains et de fibres, du carbonate de calcium, de l’oxyde de  magnésium  et  des  mélanges  des  différents  constituants.  Les  capacités  d’adsorption  ont  été déterminées  par  la  méthode  du  front  de  percée  sur  une  colonne  remplie  avec  de  nombreux morceaux  de  papiers  et  traversée  par  une  vapeur  à  pression  constante.  Les  isothermes  ont  été obtenus à température ambiante et en présence et en absence d’humidité.  

  

La chromatographie gazeuse inverse ou comment suivre les modifications de surface de solides divisés sous l’effet de divers procédés (broyage, enrobage) 

ou conditions environnantes. 

R. Calvet1, S. Del‐Confetto1, L. Boudriche1, C. Tisserand1, G. Lefebvre1, L. Galet1, A. Chamayou1, H. Balard2, B. Hamdi3 

1 Université de Toulouse ; Mines Albi ; CNRS; Centre RAPSODEE, Campus Jarlard, F‐81013 Albi cedex 09, France 2 Laboratoire Chimie‐Physique de l’ENSISA, Mulhouse, France. 3 Laboratoire d’Etude Physico‐Chimique des matériaux et Application à l’Environnement, USTHB, Alger, Algérie. 

 Un  grand  nombre  d’activités  industrielles  dans  des  secteurs  variés  requièrent  la mise  en 

oeuvre de poudres fines (moins de 100µm). Dans cette gamme de granulométrie, un grand nombre de propriétés d’usage (coulabilité, dispersabilité, transferts, réactivité…) dépend des propriétés de la surface  des  grains.  La  chromatographie  gazeuse  inverse  (CGI)  se  positionne  alors  comme  une technique  de  choix  pour  étudier  l’évolution  de  ces  propriétés  de  surface  sous  l’effet  de  divers traitements subis par  les poudres  tels  le broyage ou  l’enrobage. Elle permet également de déceler des modifications  de  propriétés  de  surface  liées  au milieu  environnant  comme  par  exemple  les conditions d’humidité relative.  

Parmi les procédés mis en oeuvre en vue de modifier les propriétés de surface des poudres, l’enrobage à sec consiste à utiliser une action mécanique pour fixer, à la surface de particules hôtes, des particules beaucoup plus petites (en très faible proportion massique) pour obtenir des particules composites  présentant  des  propriétés  d’usage  intéressantes  et  contrôlées.  Dans  notre  étude, l’enrobage de particules hôtes de talc a été réalisé dans un broyeur planétaire (de la marque Fritsch) avec des particules  invitées de  silices pyrogéniques hydrophobes Aerosil® R972.  La CGI a montré l’adsorption de la silice sur les sites de haute énergie situés sur les surfaces latérales du talc. 

Le  broyage  est  un  procédé  industriel  également  très  utilisé  pour  réduire  la  taille  des particules mais celui‐ci peut aussi  induire des modifications de propriétés de surface. L’influence de différents types de broyeurs et conditions de broyage (en voie sèche avec ou sans additifs, ou en voie 

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humide)  sur  l’attapulgite,  une  argile  de  structure  fibreuse.  La  CGI  indique  une  diminution  de  la surface spécifique pouvant être due à un écrasement ou un colmatage par des carbonates présents dans  l’argile. Mais  seul  un  broyage  fortement  énergétique modifie  sensiblement  les  fonctions  de distribution  en  énergie  des  sites  d’adsorption.  La  relative  stabilité  de  cette  argile  au  broyage  est attribuée  à  sa  structure  fibreuse.  A  l’inverse,  lors  d’un  traitement  acide,  la  surface  spécifique augmente fortement du fait de  l’élimination des carbonates et  les fonctions de distribution  laissent apparaître  l’évolution de  la structure monomodale de  l’argile en structure bimodale caractéristique des silices.  

Enfin, la CGI permet de suivre l’évolution des propriétés de surface sous l’effet de l’humidité. Elle a permis d’apporter des éléments de réponse à une problématique  industrielle concernant des alumines  ayant  une  tendance  à  l’agglomération,  disparaissant  en  présence  d’eau.  Grâce  à  un couplage  de  la  CGI  et  d’un  générateur  d’humidité,  nous  avons  montré  que  l'eau  masque sélectivement des sites de haute énergie, supposés jouer un rôle dans l’agglomération. 

Outre  la  facilité de mise en oeuvre de  la  technique,  la CGI offre une vision de  la  surface à l’échelle de la molécule sonde, dont on peut faire varier à souhait la nature sous reserve qu’elle soit vaporisable. 

  

Evaluation des propriétés de surface de montmorillonites modifiées par des POSS 

Eric Brendléa, Yves Grohensb, Jocelyne Brendléc 

aAdscientis,1 rue Alfred Kastler, 68310 Wittelsheim, [email protected] 

b Laboratoire d’Ingénierie des MATériaux de Bretagne, Université de Bretagne‐Sud, UEB, Rue Saint Maudé , 56321 Lorient Cedex, yves.grohens@univ‐ubs.fr c, Equipe Matériaux à Porosité Contrôlée, Institut de Science des Matériaux de Mulhouse, LRC CNRS 7228, UHA, ENSCMU, 3 rue A. Werner, 68093 Mulhouse Cedex, [email protected] 

 Les  POSS  (polysilsesquioxanes  polyédriques)  sont  des  nano‐objets  hybrides  organiques‐

inorganiques  constitués  d’un  cœur  inorganique  auquel  sont  liés  de  façon  covalente  des  ligands organiques.  La partie  inorganique  confère une bonne  résistance  à  la dégradation  thermique  alors que  la  partie  organique  permet  par  exemple  d’assurer  une  bonne  compatibilité  avec  des  résines polymères. Lorsque ces structures sont sous forme d’ions, il est possible de les intercaler par échange ionique  dans  l’espace  interfoliaire  d’argile.  Dans  le  cadre  de  cette  étude,  les  modifications  de propriétés  de  surface  d’une  montmorillonite  (MMT)  dont  les  cations  de  compensation  ont  été échangés contre des  ions octa(3‐ammoniumpropyl)octasilsesquioxane (OAPS+) puis calcinés ( MMT‐POSS) ont été  comparées à  celle de  la montmorillonite  seule, de  la MMT  calcinée et du POSS.  La chromatographie  gazeuse  inverse  à  dilution  infinie  (CGI‐DI)  a  notamment  permis  de  déterminer l’énergie de surface, la nanorugosité et le caractère acido‐basique.  

L’énergie de surface du POSS est faible (38 ± 2 mJ/m2) et correspond à celle d’un polymère organique. Sa nanorugosité n’est pas forte (0,79). Au contraire, la composante dispersive de l’énergie de surface de  la MMT, mesurées avec  les n‐alcanes, est  très élevée  (160 ± 10 mJ/m2  ) et  les effets d’exclusion stériques sont marqués  ( 0,11). Ceci peut être expliqué par  la structure  lamellaire de  la MMT qui permet l’insertion partielle des molécules de n‐alcanes mais exclue les molécules cycliques. La calcination à une température supérieure à 800°C de la montmorillonite induit une diminution de l’énergie  de  surface  (45 mJ/m2)  et  des  effets  d’exclusion.  Ceci  est  expliqué  par  la  fermeture  des feuillets. Calciné dans  les même s conditions,  l’échantillon MMT‐POSS a  l’énergie de surface  la plus élevée (220 ± 10 mJ/m2) et présente les effets d’exclusion stériques les plus marqués (0,01). Ceci a pu être corrélé à la structure tridimensionnelle du composé.  

  

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Molecular Modelling of Chemical Functionalization of Zeolitic Imidasolate Frameworks 

Hedi Amrouche, Sonia Aguado, Javier Pérez‐Pellitero, Céline Chizallet, Flor Siperstein, David Farrusseng, Carlos Nieto‐Draghi, Nicolas Bats 

 Zeolitic  Imidazolate  frameworks  (ZIF)  are  nanoporous  compounds  which  consist  of 

tetrahedral  cluster  of MN4 with M  a  transition metal  (Zn,  Cu,  Co...)  linked  by  simple  imidazolate ligands.  Like MOFs,  ZIF  frameworks  exhibit  the  tuneable  pore  size  and  chemical  functionality  of classical  MOFs.  Recently  a  series  of  experimental  works  has  dealt  with  the  chemical functionalization/modification of  series of  Imidazolate‐based  frameworks  [1]. This approach allows modifications of the adsorption capacities and selectivity through changes in the functional groups of the organic  linkers. We propose a theoretical approach, based on molecular simulation,  in order to perform  chemical  modification  of  organic  linkers  in  selected  solids  to  predict  new  structures. Different degrees of precision in the description of the solid‐solid interactions (empirical force‐field, hybrid mechanical‐embedded  DFT  and  full  periodic  DFT)  are  applied  to minimise  the  structural changes  introduced  in  the  frameworks  upon  functionalization.  The  validity  of  the  approach was tested on several solids (for which experimental data is available) and extended to create a series of new solids. Gas adsorption of green house gases, through Monte Carlo simulations using our recently developed force field [2], are carried out to asses the performance of the new materials for future industrial applications.  

 [1] Banerjee, H. et al. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3875‐3877. Morris, W. et al. J. Am. Chem. 

Soc., 2008, 130, 12626–12627. Lu, Z. et al. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, pp 12532–12533 [2] Perez‐Pellitero, J. et al. Chem. Eur. J. 2010, 16, 1560‐1571 

  

Physisorption appliquée à l'étude de catalyseurs Fe/SBA, 

A. Davidson, C. Cornu, S. Casale, JP Bonardet, A. Davidson 

  

Adsorption and dynamics of molecules in hierarchical nanoporous materials 

B. Coasne*, R. Chal, A. Galarneau, C. Gerardin 

Institut Charles Gerhardt Montpellier, CNRS/ENSCM/University Montpellier, France, [email protected] 

 Significant efforts have been devoted to design and synthesize hierarchical porous materials 

combining different porosities. These  solids exhibit 1)  a  large  surface  area of  “active  sites”  in  the smallest  porosity  scale  and  2)  a  high  permeability  and  access  to  these  sites  that  arises  from  the efficient  (less  restricted)  transport  in  the  largest  porosity  scale.  Hierarchical  solids  include microporous zeolite nanocrystals  (pores < 2 nm) assembled  into mesoporous structures  (pores > 2 nm)  or  zeolite  microporous  crystals  in  which  mesopores  are  introduced.  While  the  benefits  of including several porosity scales have been demonstrated, some uncertainties remain regarding the behavior of adsorbates in hierarchical solids. 

Molecular  modeling  is  an  efficient  tool  to  investigate  the  adsorption  and  dynamics  of adsorbates  in  hierarchical  solids.  It  allows  1)  clarifying  the  role  of  the  connections  between  the different porosities on the adsorbate properties and 2) studying to which extent the two porosities 

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can be considered as independent subsystems: is the adsorption or dynamics in the solid the sum of the data in the small and large porosity scales? In this work, we report a model of hierarchical solids consisting of a mesoporous silica with zeolitic walls modeled on H‐faujasite. We then  investigate by means of Monte Carlo and Molecular Dynamics simulations the adsorption and dynamics of nitrogen in  this realistic model. By comparing with results  for pure microporous and mesoporous materials, we show that the microporosity in the walls of the mesoporous material affects the mesopore filling. Emphasis will be also paid to the dynamics at the  junction between the two types of porosity. The present  simulations  provide  a  theoretical  basis  for  the  interpretation  of  experimental  data  in hierarchical porous solids.  

 

+ = 

Fig.  Model  of  a  hierarchical  porous  solid  (right)  obtained  by  carving  a  MCM‐41 mesopore (left) out of a zeolite crystal (center). 

  

Adsorption et désorption de l’hélium dans les aérogels de silice : un modèle de transition de phase hors‐équilibre.  

F. Bonnet,1, G. Aubry,1 L. Guyon,1, y M. Melich,1 P. Spathis,1 P. E. Wolf,1 E. Kierlik,2 and F. Despetis3

1‐ Institut Néel, CNRS Grenoble 

2‐ LPTMC, CNRS‐UPMC 

3‐ GES, CNRS‐Université Montpellier 2 

 Nous étudions  la condensation et  l’évaporation de  l’hélium dans des aérogels de silice , des 

milieux extrêmement poreux qui peuvent être vus comme un enchevêtrement de filaments de silice.  Dans  des  aérogels  suffisamment  poreux  et  à  assez  basse  température,  la  mesure  des 

isothermes d’adsorption montre que,  contrairement à  ce qu’on pourrait attendre dans une  vision classique de condensation capillaire, l’essentiel de la condensation se produit pour une pression bien définie.  Nous  avons  pu  le  confirmer  par  des mesures  optiques  :  localement,  la  condensation  se produit sur un  intervalle de pression  très  faible  (quelques dizaines de µbar) comparé à  l’écart à  la pression  de  vapeur  saturante  (quelques  mbar).  Ce  comportement  est  modifié  au  dessus  d’une température critique T* qui augmente avec  la porosité de  l’échantillon. La condensation se produit alors sur un intervalle de pression qui augmente avec la température. 

Nous montrerons que cette évolution remarquable avec la température est compatible avec un modèle  développé  au  LPTMC,  basé  sur  l’idée  que  la  condensation  dans  les  aérogels  est  un phénomène hors‐équilibre contrôlé par  le désordre structurel des aérogels. Des études numériques ont  été  entreprises  en  collaboration  avec  E.  Kierlik  pour  voir  si  ce  modèle  permettait  de reproduirel’ensemble de nos observations. Nous en présenterons les résultats. 

Pour aller plus loin et détecter directement, à T < T* , l’existence, prédite par la théorie, d’avalanches macroscopiques  lors de  la condensation, nous développons actuellement une 

méthode d’interférométrie speckle sensible à la distribution locale de fluide dans l’échantillon. Nous avons déjà pu montrer l’existence d’un phénomène de mémoire du point de retour lorsqu’on décrit une boucle mineure du cycle d’hystérésis. A notre connaissance, c’est la première démonstration de ce phénomène à une échelle microscopique. Nous avons aussi entrepris une étude des  "scanning 

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curves" dans les aérogels. Les premiers résultats montrent que la pression de condensation à T < T* dépend de l’histoire. Nous comparerons également ce résultat aux études numériques 

  

Extension of Poromechanics to Adsorption Effects 

Dr. M. Vandamme, L. Brochard 

Université Paris‐Est, Laboratoire Navier, Ecole des Ponts ParisTech, Cité Descartes, 77455 Marne‐la‐Vallée cedex 2, France 

 Poromechanics  is  the  study of porous materials whose mechanical behavior  is  significantly 

influenced by a pore  fluid.  It covers a broad  range of materials  (such as biological  tissues, gels, or soils)  and  is  used  everyday  by  scientists  and  engineers  in  fields  as  diverse  as  geophysics, biomechanics or materials  science. Poromechanics  in  its original  form  is  relevant  for macroporous materials only, in which most fluid molecules do not interact with the solid skeleton. But, when the size of the pores becomes comparable to the characteristic range of intermolecular interactions (i.e., when the proportion of adsorbed fluid molecules with respect to those  in their bulk state becomes significant), usual poromechanics breaks down. 

 In this work we extend the realm of poromechanics to porous materials in which adsorption 

occurs. State equations  that  link applied  stress,  fluid bulk pressure, and  strain of  the material are derived for a porous medium with a general pore size distribution. We also consider the specific case of a porous material in which only surface adsorption occurs. In such a case, introducing the concept a surface stress that acts at the surface of the pores proves to be convenient. 

 To the light of those new state equations, we study a classical adsorption experiment during 

which the strain of the sample  is measured. We show that such an experiment does not provide all the  information  necessary  to  describe  fully  the mechanical  behavior  of  the  specimen  subject  to adsorption.  Indeed,  in  the general case  the adsorption depends  in a complex manner on both  the chemical potential of the adsorbed fluid and on the stress applied to the sample1, whereas a classical adsorption experiment corresponds to a very specific case in which the stress applied to the sample is equal to the bulk pressure of the fluid. 

1 See presentation “Effect of strain on adsorption in nanopores” - L. Brochard et al.   

Isothermes d’adsorption de type V de H2O et CO2 dans les MOFs 

Marta De Toni1,2,*, Selvarengan Paranthaman1, Alain H. Fuchs1 et François‐Xavier Coudert1 

1 Chimie ParisTech & CNRS, 11 rue Pierre et Marie Curie, 75005 Paris 2 Air Liquide, Centre de recherche Claude Delorme, Les Loges en Josas 

* marta‐detoni@chimie‐paristech.fr 

À  l’aide  de  simulations  Monte  Carlo  nous  nous  sommes  intéressés  au  phénomène 

d’adsorption  dans  des  matériaux  hybrides  organiques–inorganiques  (MOFs)  hydrophobes.  En particulier,  nous  avons  étudié  l’adsorption  de  H2O  dans  Al(OH)(1,4‐ndc)  et  ses  variantes fonctionnalisées, ainsi que l’adsorption de CO2 dans une série de MOFs (IRMOF‐n (n = 1, 10, 16) ), des isothermes de type V ont été obtenues dans une large gamme de température.  

Un  tel comportement peut être expliqué en considérant  la nature de  la surface  interne de ces matériaux. Les interactions H2O–MOF and CO2–MOF étant significativement inferieures de celles 

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qui  s’exercent  entre  les molécules  d’adsorbat  entre  elles,  l’adsorption  à  basse  pression  devient défavorable du point de vue de l’énergie libre. 

Nous avons donc étudié plus en détails ces transitions liquide–vapeur en déterminant d’une part  les  effets  du  confinement  dans  les  diagrammes  de  phases,  et  en  caractérisant  d’autre  part l’hydrophobie et la “CO2‐phobie” de ces matériaux de l’autre. L’influence de la fonctionnalisation de la surface interne et du volume poreux ont été également prises en compte. Des groupes méthyles, greffés  sur  le  ligand  organique,  ont  des  effets  sur  les  isothermes  d’adsorption  et  de  désorption (quantité maximale  adsorbée, pression de  saturation, …),  et  la  temperature de  transition dépend fortement du degré de confinement. 

  

Guest‐induced gate opening in zeolite imidazolate frameworks 

Sonia Aguado1, Gerard Bergeret1, Marc Pera‐Titus1, Virginie Moizan2, Carlos Nieto‐Draghi3, Nicolas Bats2, D. Farrusseng1 

1  Université de Lyon, Institut de Recherches sur la Catalyse et l’Environnement de Lyon (IRCELYON), UMR 5256 CNRS – UCBL1, F‐69626 Villeurbanne, France, E‐mail: [email protected]‐lyon1.fr 

2  IFP Energies Nouvelles, Physics and Analysis division BP3, F‐69360 Solaize, France 

3  IFP Energies Nouvelles, Department of Thermodynamics and Molecular Simulation, F‐92852 Rueil‐Malmaison, France 

 

Soft porous crystals that exhibit dynamic frameworks upon external stimuli such as variations of  pressure,  temperature  or  electric  field  are  the  latest  generation  of  porous  solids.  They  are bi(multi)stable  crystalline  materials  with  long‐range  structural  ordering  possessing  structural transformability.  The  phase  transformation  can  take  place when  a  guest molecule  is  adsorbed  or removed  from  the  framework.  This  property  is  very  attractive  in  designing  new  generations  of adsorbents or sensors using “gate‐opening” features. In this study we concentrate our attention on Zinc Imidazolate Frameworks (ZIFs) and underline some eye‐catching dynamic adsorption properties connatural to their structures. 

ZIFs consist of tetrahedral Zn(II) solely coordinated by nitrogen atoms in the 1,3‐positions of the  imidazolate bridging  ligand. Because  the Zn‐im‐Zn  linkage  is similar  to Si‐O‐Si  linkages  found  in zeolites, ZIFs usually crystallize  in the same topologies as do aluminosilicates. The trait of similarity with  zeolites  is  further  reinforced due  to  their high hydrothermal,  chemical  and  thermal  stability. However, ZIF materials are not as rigid as zeolites, showing a possibility of unit cell expansion or even phase‐to‐phase  transformations.  These  structural  phenomena  can  translate  into  characteristic  S‐shape isotherms displaying hysteretic phenomena upon adsorption/desorption. 

We  report here  the dynamic  and  reversible phase  transformation of  several  ZIF materials upon changes of temperature or CO2 partial pressure, which is responsible in some cases for marked gate  opening  and  breathing  phenomena  in  their  CO2  adsorption/desorption  patterns.  The thermodynamics  of  the  process  has  been  studied  from  the  breath  between  CO2 adsorption/desorption  branches  and  compared  to  other  reference  MOFs  using  an  original formulation stemming from solution thermodynamics first principles. Briefly, this approach relies on the transformation of a raw  isotherm  into a thermodynamic form by representing the  integral free energy of adsorption relative to saturation, computed as a Kiselev  integral, against a well‐bounded chemical  potential  of  the  gas  phase.  This  representation  provides  a  picture  of  the  energy heterogeneity of the material upon adsorption. The free energy change of the α→β phase transition can be computed by the following expression: 

∆G α →β( )= ∆G° + −Ln Π( )[ ]δθθG

1∫des

− −Ln Π( )[ ]δθθG

1∫ads+ θ des ΠG( )−θ ads ΠG( )[ ] −Ln ΠG( )[ ] 

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where the subscript G refers to the gate opening pressure. 

The  α→β  phase  transition  energies  computed  for  several  CO2/MOF  systems  fall  into  the range  2‐8  kJ/mol,  the  peak  energies  being  displaced  to  higher  pressures  while  increasing  the temperature. 

  

Polyvalence des adsorbants zéolithiques pour le piégeage de traces de contaminants gazeux. 

Laurent Teyssiera, Pascale Massiania, Jean‐Luc Bonardeta, Thomas Onfroya, Sandra Casalea, Jean‐Pierre Bellatb, Guy Weberb, Igor Bezverkhyyb, Vincent Lenac, Emmanuel de La Rochefoucauldc, Serge 

Alpérinec. 

a : Laboratoire Réactivité de Surface, UPMC, CNRS‐UMR‐7197, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05. E‐mail : [email protected]  

b : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UB, CNRS‐UMR‐5209, 9 avenue Alain Savary, BP 47870, 21078 Dijon Cedex 

c : SAGEM Défense Sécurité, 72‐74 rue de la tour Billy, 95101 Argenteuil 

De  nombreux  domaines  technologiques  (écrans,  électronique,  avionique,  accélérateurs  de 

particules...) utilisent des systèmes conditionnés sous ultra‐vide pour lesquels un enjeu majeur est la préservation de la qualité du vide (fiabilité, durée de vie...). Les traces de gaz étant difficiles à éviter (micro‐fuites,  dégazage  des  surfaces...),  un  piégeage  adéquat  est  toujours  nécessaire.  Ceci  est souvent assuré par des matériaux getters (en particulier NEG, i.e. "Non Evaporable Getter") qui sont des alliages de métaux frittés connus pour leur efficacité à adsorber H2, mais sont moins performants pour d'autres contaminants (eau, hydrocarbures...).  

Une  solution  alternative  prometteuse  et  polyvalente  réside  dans  la  mise  au  point d'adsorbants microporeux adaptés, de type zéolithe Pd/NaX. La présentation discutera les conditions d'optimisation des solides et compareras leurs propriétés d'adsorption à celles de NEG commerciaux. Les isothermes d'adsorption volumétriques et gravimétriques montreront la supériorité des zéolithes pour  tous  les  contaminants  examinés  (H2,  O2,  H2O,  C5H12).  Les  capacités  d'adsorption  seront analysées au regard des propriétés structurales, texturales et chimiques caractérisées par MET, MEB, DRX et FTIR. Un phénomène original de synergie entre sites d'adsorption sera présenté.  

  

Calorimétries aux interfaces solide/liquide : adsorptions, mécanismes et énergies de surface 

Bénédicte Prélot, Sabine Devautour, Emilie Gérardin, Franck Marchandeau, Jean Marc Douillard, Jerzy Zajac 

Institut Charles Gerhardt Montpellier UMR 5253 CNRS‐UM2, C. C. 1502, Place Eugène Bataillon, 34095 Montpellier cedex 5, France 

La compréhension des interactions entre les métaux et les sols ou les minéraux, qu'ils soient 

naturels  ou  synthétiques,  a  une  place  conséquente  afin  notamment  de  progresser  dans l'optimisation  des  systèmes  pour  la  décontamination,  la  dépollution  d'effluents  industriels,  ou  la gestion des pollutions de sites naturels. L'objectif de ce travail est de développer la compréhension des  mécanismes  d'interactions  ion‐surface  chargée.  Nous  avons  mis  en  place  une  approche calorimétrique  de  l'adsorption  d'ions  sur  des  solides  structurés,  présentant  différents  types  de réactivité  interfaciale,  afin  d'étendre  la  compréhension  thermodynamique  des  forces  et  des énergies interfaciales mises en jeu.  

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Les  solides  retenus  sont des  silicates  et  aluminosilicates nanostructurés pour  lesquels  les propriétés  structurales  et  texturales peuvent  être modifiées  en  contrôlant  le mode  de  synthèse  : argiles  présentant  différents  taux  de  charge,  silices  mésoporeuses  substituées  par  des hétéroatomes, et / ou présentant différents diamètres de pores, zéolithes simples et / ou présentant des mésopores en plus des micropores.  

Sur  une  silice  de  référence  non  poreuse,  la  série  d'alcalinoterreux  a  permis  de montrer l'influence  directe  des  propriétés  d'hydratation  et  de  rayons  ioniques  des  cations  sur  les  effets thermiques mesurées par le biais de microcalorimètre en mode dynamique ou flux. De plus, il a été montré que  les caractéristiques telles que  le pH,  la charge de surface et  le taux de recouvrement, modifient  les  effets  thermiques,  entre  autres  en  lien  avec  les  effets  d'interactions  latérales interfaciales. L'utilisation de silices mésoporeuses présentant différents diamètres de pores a permis de mettre  en  évidence  l'impact  du  confinement  sur  les  effets  entropiques  liés  à  l'adsorption  de Cd(II).  Les  silices dopées par des hétéroatomes  ayant de  trop  faibles propriétés d'adsorption, des aluminosilicates présentant différentes structures et différentes capacités d'échange cationique ont été choisis. Ainsi, grâce à la microcalorimétrie en mode de titration sur des zéolithes 4A sous forme sodique  et  présentant  des  mésopores,  il  a  été  montré  que  l'échange  de  Sr(II)  est  d'abord exothermique  pour  les  faibles  taux  de  recouvrement,  puis  endothermique  lorsque  l'échange  se poursuit. Cet effet est superposé à l'influence de la présence de plus ou moins de mésoporosité.