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Theses

Molecular simulation of fluid adsorption in flexible nanoporous materials at multiple scales

Résumé : Durant ma thèse, j’ai utilisé la simulation moléculaire pour étudier l’adsorption et l’intrusion de fluides dans les matériaux nanoporeux flexibles. Aujourd’hui, les matériaux à charpente organo-métallique appelés metal-organic frameworks (MOF) sont les principaux représentants de cette famille de matériaux. Je me suis en particulier intéressé à la ZIF-8, un MOF constitué de zinc et de ligands imidazolates organisés dans une topologie de type sodalite. Grâce à la dynamique moléculaire quantique, j’ai pu montrer que lors de l’adsorption de diazote dans la ZIF-8 il se produit une réorganisation de la phase adsorbée qui augmente la quantité totale d’azote adsorbée. J’ai aussi montré que changer la nature chimique des ligands permettait de supprimer partiellement ou totalement cette réorganisation. D’autre part, j’ai utilisé la dynamique moléculaire classique et les simulations Monte-Carlo pour étudier l’adsorption et l’intrusion d’eau dans des matériaux poreux hydrophobes. Ces matériaux ont des applications potentielles dans le domaine du stockage et de la dissipation de l’énergie mécanique. La pression à laquelle se produit l’intrusion, ainsi que la présence et la forme d’une boucle d’hystérèse sont modifiable par l’ajout d’ions dans le liquide d’intrusion. J’ai montré que liquide confiné dans la ZIF-8 ou dans des nanotubes d’alumino-silicates appelés imogolites est fortement structuré, et que la dynamique des molécules d’eau est ralentie par le confinement. La présence d’ions modifie très peu la structuration, mais ralenti encore la dynamique, et rigidifie l’ensemble du système. J’ai aussi étudié l’entrée d’ions dans la ZIF-8, et observé une différence flagrante entre Li+ et Cl– d’un point de vue thermodynamique et cinétique. Enfin, j’ai montré que la prise en compte de la flexibilité était nécessaire pour prédire correctement la co-adsorption de gaz dans un matériau qui se déforme (respiration, ouverture des fenêtres, etc.) lors de l’adsorption. Cette prise en compte est possible dans le cadre de la méthode Osmotic Framework Adsorbed Solution Theory (OFAST) pour décrire des changements de phase du matériau.
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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02181661
Contributor : François-Xavier Coudert <>
Submitted on : Friday, July 12, 2019 - 11:57:00 AM
Last modification on : Thursday, July 30, 2020 - 3:13:26 AM

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  • HAL Id : tel-02181661, version 1

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Guillaume Fraux. Molecular simulation of fluid adsorption in flexible nanoporous materials at multiple scales. Chemical Sciences. PSL Research University; Chimie ParisTech, 2019. English. ⟨tel-02181661⟩

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