Zéolithes et metal-organic frameworks hydrophobes pour le stockage d’énergie mécanique et la séparation d’ions en phase aqueuse

Dans le cadre du concours de contrats doctoraux de l’Ecole doctorale Physique et chimie-physique de l’Université de Strasbourg (ED 182), l’axe Matériaux à Porosité Contrôlée (MPC) de l’Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M) propose le sujet de recherche qui suit.

Description du sujet de thèse

Les solides microporeux hydrophobes tels que les zéolithes purement siliciques (zéosils) et les matériaux de type Metal-Organic Framework (MOF), présentent un grand intérêt pour les applications dans le domaine de l’absorption et du stockage d’énergie mécanique par intrusion-extrusion sous haute pression d’eau et de solutions salines aqueuses. L’utilisation de solutions salines concentrées permet d’augmenter considérablement les performances énergétiques de ces systèmes [1,2] en raison des phénomènes osmotiques ainsi que des énergies mises en jeu lors de la distorsion et de la déshydratation des ions solvatés durant l’intrusion. Ces solutions jouent un rôle particulier puisqu’elles peuvent changer le comportement des systèmes « solide microporeux – solution saline » en changeant les caractéristiques de l’intrusion [1,3]. Plusieurs études montrant l’influence de la nature de cation, d’anion ainsi que de leurs concentrations sur les performances d’intrusion-extrusion ont été menées par notre équipe. Cependant, le mécanisme d’intrusion des solutions salines dans les micropores hydrophobes reste insuffisament compris. Contrairement à des travaux de simulation atomistique qui suggèrent que les ions dans ces conditions n’entrent pas dans les pores, des études menées par diffraction de rayons X à haute pression in situ ont montré la présence d’ions hydratés à une concentration plus élevée que dans les solutions initiales [4]. De plus, la variation de comportement de nombreux systèmes « solide microporeux – solution saline » en fonction de la concentration et de la nature d’ions, ne peut être expliquée que par la diffusion des ions dans la porosité. Plus généralement, le concept de l’intrusion des solutions salines dans les solides microporeux hydrophobes peut être étendu à l’extraction des sels de solutions, ou à la séparation des ions hydratés et à la désalination d’eau. Dans ce sens, des résultats très récents ont montré pour la première fois que certains systèmes « zéosil – mélange d’électrolytes » peuvent aboutir à une intrusion sélective à basse pression. Ce phénomène n’a jamais été reporté dans la littérature.

Ce projet de thèse est centré sur l’étude de l’intrusion de solutions salines dans les zéosils et les MOFs hydrophobes, et vise à la compréhension des mécanismes d’intrusion en fonction de la structure, la composition des solides poreux, ainsi que de la nature d’ions et la concentration des solutions. L’accent sera mis sur l’obtention de systèmes à fortes performances énergétiques, mais également sur la séparation des ions par intrusion. Ces travaux reposeront sur la synthèse (zéolithes et MOFs), la caractérisation des matériaux microporeux (DRX, MEB/MET, adsorption N₂, ATG, Fluorescence X,…), ainsi que les tests d’intrusion-extrusion.

[1] G. Confalonieri, R. Arletti, H. Nouali, J. Daou, A. Ryzhikov, Molecules 25, 2145 (2020).

[2] G. Ortiz, H. Nouali, C. Marichal, G. Chaplais, J. Patarin, J. Phys. Chem. C 118, 7321 (2014).

[3] A. Astafan, H. Nouali, G. Chaplais et al., Phys.Chem. Chem. Phys. 27, 8552 (2025).

[4] G. Confalonieri, A. Ryzhikov, R. Arletti et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 5178, (2020).

L'Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M) est une unité mixte de recherche sous la co-tutelle du CNRS et de l'Université de Haute Alsace (UMR 7361). Le travail sera réalisé au sein de l’axe Matériaux à Porosité Contrôlée de l’IS2M reconnu internationalement pour la synthèse, la caractérisation, la mise en forme et les applications des matériaux poreux inorganiques et hybrides, particulièrement dans le domaine d’intrusion des liquides non-mouillants dans les matériaux hydrophobes.

Le/la doctorant.e sera rattaché.e à l’Ecole Doctorale de Physique et Chimie-Physique (ED 182) co-accréditée entre l’Université de Strasbourg et l’Université Haute-Alsace. La thèse sera réalisée sous direction de G. Chaplais (MCF UHA) et A. Ryzhikov (CR CNRS).

Compétences

* Formation requise : Bac+5 en Chimie (Master 2, Ingénieur ou équivalent)

* Compétences professionnelles : spécialisation en chimie du solide, science des matériaux, chimie inorganique/minérale ou chimie physique

* Compétences personnelles : travail en équipe, dynamisme, autonomie, esprit de synthèse, curiosité scientifique, capacités rédactionnelles et relationnelles, bonne capacité de présentation

* Bon dossier académique

Présence physique des candidats en France ou dans l’Union Européenne est fortement souhaitable pour pouvoir bien préparer la présentation au concours