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Brevets et licences

Un pas décisif vers l’industrialisation de matériaux nanoporeux

Meilleure compression de gaz pour leur stockage, solutions de refroidissement pour les data centers ou les bâtiments, purification de l’air, accélération de cicatrisation… autant d’applications pour lesquelles les matériaux nanoporeux (MOFs) seront utilisés pour répondre aux grands défis de demain en santé et en énergie. En 2018, les partenaires d’un projet européen1 ont développé deux procédés de synthèse des MOFs à l’échelle préindustrielle et à un coût compétitif rendant possible ces applications.

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Les MOFs (Metal-organic frameworks) sont des matériaux nano-poreux aux cavités de la taille de l’ordre du nanomètre (1 nanomètre = 10-9 m) et avec de grandes capacités d’absorption de petites molécules essentielles telles que l’oxygène (02), l’eau (H20), le méthane (CH4) ou le dioxyde de carbone (CO2) ; la taille de leurs pores correspond parfaitement à celle de ces molécules.

Les MOFs, solides en rupture par rapport aux deux grandes autres classes de matériaux nanoporeux que sont les zéolithes et les charbons actifs, se distinguent par leur composition à la fois inorganique (métallique) et organique. Le premier solide MOF a été découvert en 1999, mais plusieurs milliers existent aujourd’hui à l’échelle des laboratoires et 10 articles scientifiques par jour en moyenne leur sont consacrés, un rythme qui dépasse tous les records. Cependant leur fort potentiel a été limité jusqu’à présent par leur synthèse à l’échelle industrielle, pour des raisons techniques et économiques.

Dans le cadre du projet européen collaboratif ProDIA1, les partenaires ont développé deux procédés innovants pour la synthèse et la mise en forme de MOFs. L’adaptation de cette synthèse permet de la rendre compatible avec une production à l'échelle industrielle. La synthèse a lieu en milieu aqueux, sans utilisation de solvants organiques et sans sels, alors que c'était jusqu'ici un passage obligé pour obtenir des matériaux MOFs de haute pureté. Grâce à sa ligne pilote pré-industrielle, Axel’One a validé l’extrapolation de cette synthèse. Outre les verrous technologiques liés à la production, qui ont été levés, les critères de coûts, de disponibilités des matières premières, de sécurité de la production et de toxicité à l’usage ont été tenus. Un des verrous techniques portait sur la stabilité des MOFs, notamment à cause de leur structure hybride organique-inorganique. Le projet s’est concentré en particulier sur des MOFs de la famille UiO-66 qui, à base de Zirconium, montrent une stabilité thermique aussi bonne que les charbons actifs. Cette famille de MOFs a d’ailleurs fait l’objet du premier développement de procédé par l’Université d’Oslo et le CNRS. La poudre cristalline peut être extrudée sans perte de propriétés poreuses. Un lot pilote de 150 kg a été produit avec un rendement de plus de 95 %. La start-up MOFapps proposera ainsi des adsorbants MOFs à base de zirconium pour la purification de l’air notamment en tant que cartouches de protection individuelle contre l’ammoniac (doublant le temps d’utilisation des cartouches par rapport aux adsorbants actuels).

Le second procédé concerne la synthèse par atomisation du MOF « HKUST-1 ». Il a été réalisé par Axel’One sur un pilote aux caractéristiques uniques en Europe2. Avec ses 10,5 mètres de hauteur, cet outil d’atomisation peut notamment fonctionner en vase clos sous azote (conditions ATEX). L’unité pulvérise les gouttelettes du mélange réactionnel pour former et sécher en même temps le solide nanoporeux . Plusieurs dizaines de kg de produit sec de haute pureté sont produits en quelques heures seulement. Ce succès à l’échelle pilote permet d’envisager des capacités de production en continu de 300 kg/jour pour un atomiseur d’échelle industrielle avec un coût de production compatible avec les attentes du marché.

Pour David Farrusseng, directeur de recherche CNRS et coordinateur du projet ProDIA, le projet ProDIA est une vraie réussite dans le milieu de l’innovation. « Axel’One et ses résultats de scale-up ont apporté une contribution majeure. Aujourd’hui, la disponibilité des MOFs à l’échelle pilote laisse entrevoir pour demain des applications de masse tels que le refroidissement des datas center, la purification de l’air et le stockage du gaz naturel ou de l’hydrogène pour les véhicules. »

 

1 Le projet ProDIA réunit Axel’One, CNRS, ENGIE, IFP Énergies nouvelles (FR), Fraunhofer IKTS (DE), l’Institut Catalan des Nanosciences (ES), Johnson Matthey, MOF technologies, l’Université de Saint Andrews (RU), MOFapps, Sintef et l’Université de d’Oslo (NO). European Union's Horizon 2020 research and innovation program, GA 685727

2 Visionner la vidéo d’essais d’atomisation de MOFs « HKUST-1 »

 

 

Contacts:

Maryline Peillon / Chargée de communication Axel’One / maryline.peillon@axel-one.com

David Farrusseng / Institut de recherches sur la catalyse et l'environnement de Lyon (CNRS/Université Lyon 1) /  david.farrusseng@ircelyon.univ-lyon1.fr