Résumé - Fundamentaux de l'adsorption et de la diffusion de CO2 dans les matériaux à pores sous-nanométriques : Application à CALF-20

Fundamentaux de l'adsorption et de la diffusion de CO2 dans les matériaux à pores sous-nanométriques : Application à CALF-20

2025-07-10 14:18:34

{"André de Freitas Gonçalves","Emerson Parazzi Lyra","Sayali Ramdas Chavan","Philip Llewellyn","Luis Fernando Mercier Franco","Yann Magnin"}

{cond-mat.mtrl-sci}

L'article présente une approche théorique pour prédire la thermodynamique et la cinétique des molécules hôtes dans les matériaux nanopores, en se concentrant sur l'adsorption de CO2 et la diffusion moléculaire dans le cadre métallo-organique sous-nanopore CALF-20. La méthode, basée sur la mécanique statistique, nécessite un ensemble minimal de paramètres physiques qui peuvent être obtenus par des expériences ou des simulations numériques. L'étude commence par analyser l'adsorption de CO2 dans CALF-20 à l'aide de simulations de Monte Carlo grand canonaux (GCMC) et d'expériences, démontrant une bonne concordance entre les deux. L'isotherme d'adsorption montre une forme de Langmuir, caractéristique des adsorbants nanopores. L'enthalpie d'adsorption augmente avec la charge, attribuée à une augmentation des interactions hôtes entre les cageots. Les auteurs dérivent ensuite l'équation de Langmuir à partir de la mécanique statistique, en prenant en compte le gaz phase et les molécules adsorbées. Ils utilisent la méthode de distribution de l'énergie d'adsorption (AED) pour extraire des paramètres physiques tels que les énergies de liaison, les densités de saturation et les fréquences de vibration à partir de l'isotherme GCMC. La méthode AED permet de déterminer ces paramètres à partir d'une seule isotherme, fournissant des informations sur le mécanisme d'adsorption. Le modèle est utilisé pour approximer les isothermes à différentes températures, la constante de Henry, la densité de saturation et les enthalpies d'adsorption à l'infini dilution. Le modèle est également utilisé pour prédire la diffusion de CO2 dans CALF-20 à l'aide de la théorie des états de transition (TST), qui décrit le processus de diffusion en se basant sur le barrière d'énergie entre les sites d'adsorption. Les auteurs comparent les coefficients de diffusion auto-observés prédits avec ceux obtenus à partir de simulations de dynamique moléculaire, démontrant une concordance raisonnable. L'étude met en lumière l'importance à la fois de la thermodynamique et de la cinétique dans la conception de matériaux pour la capture de carbone et fournit un modèle prédictif pour comprendre les processus d'adsorption et de diffusion dans les matériaux nanopores tels que CALF-20. L'approche proposée peut être facilement adaptée à d'autres solides et pourrait être d'intérêt pour les applications d'ingénierie impliquant des matériaux nanopores.