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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Stocker plus de méthane grâce à des matériaux flexibles

Le stockage d’un carburant comme le méthane intéresse particulièrement l’industrie automobile. On sait depuis longtemps qu’il est possible de stocker sous pression davantage de gaz lorsque le container est rempli de matériaux poreux que lorsqu’il est vide, à cause du phénomène d’adsorption. Des équipes du Laboratoire matériaux divisés, interfaces, réactivité, électrochimie (CNRS / AMU) et du Department of Chemistry (University of California – USA) viennent de synthétiser un nouveau matériau hybride inorganique-organique, flexible, avec lequel ils ont obtenu des capacités de stockage supérieures à celles observées avec d’autres composés de la même famille. Ces résultats sont parus dans la revue Nature.

 

Pour stocker un carburant comme le méthane et l’utiliser dans un véhicule, le remplissage du container se fait à des pressions comprises entre 20 et 30 atmosphères, et une pression de l’ordre de 5 atmosphères est nécessaire pour libérer le gaz et l’injecter dans le moteur. Une capacité de stockage maximale est donc souhaitée entre ces deux gammes de pression.

Grâce au phénomène d’adsorption, il est possible de stocker dans un container sous pression davantage de gaz lorsqu’il est rempli de matériaux poreux que lorsqu’il est vide. C’est cette propriété que vont exploiter les chercheurs pour optimiser le stockage du méthane. Reste un obstacle à surmonter : l’adsorption étant un phénomène exothermique, il va falloir minimiser la chaleur échangée au cours du processus de remplissage-libération du gaz car la moindre augmentation de température peut altérer l’efficacité du processus, aussi bien la capacité de stockage que la vitesse de remplissage. L’enjeu est donc de trouver de nouveaux matériaux présentant un bon compromis entre énergie d’adsorption modérée et capacité maximale à absorber le gaz.

Les chercheurs se sont concentrées sur une famille de matériaux hybrides inorganique-organique, résultants de l’association directe entre un ligand organique et un ion métallique et appelés Metal Organic Frameworks (MOFs). Ces solides présentent de grands volumes poreux dans lesquels les gaz peuvent être stockés. Mieux encore, certains présentent une flexibilité structurale intrinsèque qui peut être provoquée par la température, la pression mécanique (effet de compression du solide), et par l’adsorption d’un gaz (effet de « respiration » du réseau poreux). C’est avec cette flexibilité qu’ont joué  les équipes pour optimiser le stockage. Les chercheurs sont parvenus à synthétiser un nouveau MOF flexible dont les pores ne sont pas accessibles aux molécules de méthane jusqu’à des pressions autour de 5 atmosphères, comme s’ils étaient fermés. A partir de 17 atmosphères, la structure s’ouvre permettant alors aux molécules de méthane de s’adsorber et de remplir les pores du solide. Ces gammes de pression où l’adsorption et la libération du gaz sont observées sont optimales pour un mode de stockage adapté aux véhicules, et les capacités de stockage sont plus importantes que celles déjà mesurées pour beaucoup d’autres MOFs.

Les chaleurs mises en jeu dans ces processus ont été mesurées. Les chercheurs ont observé que les effets exothermiques dus à l’adsorption du méthane dans les pores ouverts sont compensés par l’énergie requise pour ouvrir la structure. Cette combinaison entraîne une diminution notable des énergies dissipées lors de l’adsorption du méthane. Ce résultat montre que le flux de chaleur qui accompagne ces phénomènes pourrait être contrôlé grâce à ces matériaux flexibles, qui se révèlent donc particulièrement prometteurs pour leur utilisation dans le stockage du méthane pour des véhicules.

 

llewellyn

 

© J. Mason & J. Long (UC Berkeley) / P. Llewellyn (CNRS MADIREL)

 

 

Référence

Jarad A. Mason, Julia Oktawiec, Mercedes K. Taylor, Matthew R. Hudson, Julien Rodriguez, Jonathan E. Bachman, Miguel I. Gonzalez, Antonio Cervellino, Antonietta Guagliardi, Craig M. Brown, Philip L. Llewellyn, Norberto Masciocchi & Jeffrey R. Long

Methane storage in flexible metal–organic frameworks with intrinsic thermal management

Nature 26 octobre 2015
doi:10.1038/nature15732


Contact chercheur

Philip L. Llewellyn, Laboratoire matériaux divisés, interfaces, réactivité, électrochimie – Marseille

Courriel : philip.llewellyn@univ-amu.fr

T 04 13 55 18 28

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

16 novembre 2015

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