Axe 3
Caractérisation et simulation du transport réactif à mésoéchelle
Contributeurs : IFPEN / CRMN / SOLEIL / LCS / LiPhy
Dans son ambition ultime de générer de nouveaux éléments de compréhension des relations structure propriétés, le LCR CARMEN 2 doit entreprendre la mise au point d’approches synthétiques de modélisation-simulation des mécanismes réactionnels clés aux échelles représentatives d’espace et de temps. Indissociablement, l’acquisition de données expérimentales permettant de valider ces modèles doit également être entreprise. Ce troisième axe a cette double ambition.
Du point de vue expérimental, le projet vise à combiner les approches de spectroscopie operando FTIR aux approches de RMN 13C pseudo temps réel, en mettant en œuvre des plans d’expérience permettant d’évaluer la sensibilité des mécanismes réactionnels aux phénomènes couplés de transport et de réaction, dont on anticipe la dépendance aux conditions thermiques et aux propriétés chimiques et conformationnelles des molécules réactives. Ainsi, cet axe sera pleinement complémentaire et le prolongement logique de l’axe 2, et se focalisera sur l’extraction de l’information « réactivité » dans des conditions opératoires similaires à celles pratiquées dans l’axe 2, mais activées thermiquement (pratiquées à des températures favorisant la réaction catalytique).
Sur l’aspect théorique, l’objectif de cet axe est de coupler les résultats de simulations ab initio des mécanismes (et des constantes de vitesse associées, fournies par le projet MAMABIO du PEPR BBEST) catalysés dans des zéolithes protoniques (MFI, FER, etc.) à des données liées à l’adsorption et à la diffusion des espèces concernées (réactifs, produits) déterminées par Monte-Carlo et Dynamique Moléculaire en champs de force (éventuellement confrontée à de la dynamique moléculaire ab initio). In fine, un modèle multi-échelle du transport réactif est ainsi visé, pour accéder à la prédiction des vitesses effectives de réactions. Dans un deuxième temps, une approche de modélisation mésoscopique du processus de diffusion réactive dans les zéolithes à différentes échelles sera entreprise. L’objectif est de proposer des approches de Physique statistique et de Monte Carlo cinétique (kMC) capables d’explorer les phénomènes de diffusion réactive des espèces chimiques comme les alcools dans des modèles de cristallites de zéolithes, afin d’améliorer notre compréhension des phénomènes de transport dans ce type de systèmes. Il s’agira aussi d’identifier les éléments clés nous permettant de reproduire le comportement qualitativement asymptotique entre l’échelle nanométrique (bien décrite pour la DFT et la simulation de dynamique moléculaire atomistique par champ de force) et les mesures expérimentales observables à grandes échelles, notamment celles qui seront engrangées dans CARMEN 2 par spectroscopie infra-rouge in situ et RMN 13C.
Cet axe 3 sera majoritairement positionné sur le système chimique de déshydratation des alcools sur des zéolithes protoniques. Néanmoins, un effort sera consacré à la réflexion de la transposabilité des approches développées à d’autres cas investigués dans l’axe 1, tels que les réactions d’oxydation/réduction thermochimiques autour des oxydes polymétalliques (procédés thermiques en phase gaz).
Ce troisième axe hébergera notamment les actions portantes sur l’investigation des propriétés électrocatalytiques d’HDL pour l’oxydation partielle de l’eau en eau oxygénée. Ce volet est en cours de discussions au sein du consortium concernant la chimie des matériaux d’intérêt et devrait prendre forme au cours de l’année 2025.