Metal Organic Frameworks based materials for long term solar energy storage application

Matériaux à base de solides hybrides poreux de type MOFs pour le stockage intersaisonnier d’énergie solaire L’évolution rapide des technologies de stockage d’énergie requiert la mise en point de nouveaux matériaux plus performants afin d’utiliser l’énergie relative à l’adsorption d’un fluide (eau) pour restituer l’énergie solaire préalablement stockée sur une période courte (heures) ou prolongée (inter saisonnière). Ces matériaux sont des sels inorganiques (chimisorption de l’eau), des adsorbants physiques ou des composites (sel inorganique dans une matrice poreuse).Les polymères de coordination poreux (PCPs) ou ’Metal-Organic Frameworks‘ (MOFs) sont des solides poreux hybrides dont la structure cristalline résulte de l’association de ligands organiques polycomplexants et de briques inorganiques interagissant par liaisons fortes. Les MOFs présentent une plus grande diversité chimique et structurale par rapport aux solides poreux inorganiques, ce qui permet de varier ‘à la carte’ leur caractère amphiphile, leur volume poreux, la taille et la forme des pores.Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié en premier lieu une série de MOFs poreux et stables dans l’eau, construits à partir des cations métalliques à haut degré d’oxydation (Fe3+, Al3+, Cr3+, Ti4+, Zr4+) et de ligands polycarboxylates. Nous avons choisi cette série de MOFs en tant qu’adsorbants physiques tout en évaluant dans un second temps leur capacité en tant que matrices d’immobilisation de sels inorganiques.L’étude des propriétés d’adsorption d’eau des MOFs seuls a démontré leurs grandes capacités d’adsorption conduisant ainsi à des densités énergétiques relativement élevées pour des systèmes en physisorption pure. La synthèse du MOF le plus performant de cette série (MIL-160(Al)) a été mise à l’échelle. Ce matériau a ensuite été mis en forme et ses propriétés de stockage de chaleur ont été évaluées dans un prototype de laboratoire (réacteur ouvert).Les applications de stockage inter saisonnier requièrent des matériaux avec une densité énergétique plus élevée par rapport à celle des adsorbants physiques et à ce titre, les composites qui résultent de l’encapsulation de sels inorganiques au sein de matrices poreuses sont intéressants en termes de densité énergétique et de stabilité chimique. De ce fait, le deuxième chapitre porte sur l’exploration d’une série de MOFs en tant que matrices d’encapsulation de sels afin de préparer des composites pour le stockage de l’énergie.Les MOFs sélectionnés permettent d’étudier l’influence de certains paramètres de la matrice (balance amphiphile, volume/taille des pores) sur les propriétés d’adsorption d’eau des composites. Les capacités de stockage énergétique des composites ont été évaluées dans les conditions d’utilisation d’un système de stockage d’énergie.Finalement la capacité de stockage élevée et la bonne stabilité de cyclage (adsorption-désorption) des deux meilleurs composites à base de matrices mésoporeuses (MIL-100(Fe) et MIL-101(Cr)) confirment l’intérêt de ces solides pour ce type d’application.