Axe 2
Propriétés microstructurales et porales relatives au transport moléculaire à mésoéchelle
Contributeurs : IFPEN / LiPhy / LCS / IPCMS / SOLEIL / LCMCP
Les matériaux fonctionnels dans leur procédé sont le plus souvent mis en forme à des échelles pluri-microniques (membranes, électrodes), voir millimétriques (grain de catalyseur), qui peuvent correspondre à des ordres de grandeurs bien supérieure à celles de l’élément structurant défini dans l'axe 1. Le transport de la matière et le comportement thermique et mécanique dans ces matériaux répond donc à une échelle bien plus large que celle de l’élément structurant.
En ce qui concerne les propriétés chimiques des matériaux, il faut pouvoir décrire les caractéristiques morphologiques régissant l’accessibilité des surfaces (réactives ou d’échange). Selon la complexité du matériau, cette description morphologique doit permettre de décrire les relations existantes entre différents niveaux de hiérarchie de la microstructure et de l’espace poreux, des micropores aux macropores (selon la définition IUPAC), et de fournir une vision statistique et tridimensionnelle de la topologie du réseau de pore. L’aspect multiéchelle de cette problématique pose un certain nombre d’enjeu historique de caractérisation et de modélisation, que l’on peine à relever. La difficulté réside principalement dans l’absence de technique unique de caractérisation pertinente et représentative à toutes les échelles et d’outils de modélisation pleinement explicites pour d’aussi grands systèmes.
Pour les aspects de caractérisation morphologiques, les approches multi-techniques, notamment d’imagerie multimodale, offrent une opportunité intéressante de couverture d’une large gamme d’échelle, du nanomètre à la centaine de µm. Ces techniques d’imagerie parfois très locales, couplées à la détermination de propriétés représentatives de la morphologie du bulk, typiquement par SAXS, rendent possible la formalisation de modèles morphologiques satisfaisant les informations d’arrangement tridimensionnels de pores et de descripteurs statistiques (distribution de tailles de pores, surfaces spécifiques, volume poreux, rugosité, tortuosité, anisotropie). Une voie de développement importante dans cet axe sera la mise au point de modèles morphologiques mathématiques satisfaisant les observations expérimentales, et dans une formalisation adaptée à leur utilisation par des simulateurs du transport réactif développés dans l’axe 3.
Les propriétés de transport dans ces milieux poreux quant à elles peuvent être décrites par les techniques de RMN à gradient de champ pulsé, par RMN diffusionnel ainsi que par suivi dynamique d’adsorption, notamment par FTIR in-situ.
La confrontation des données morphologiques et topologiques aux données expérimentales de transport diffusif reste à ce jour un véritable enjeu, du fait de l’absence d’approches théoriques adaptées au caractère multiéchelle micro-meso. Une contribution majeure de CARMEN 2 portera sur cette confrontation, avec notamment le développement de modèles théoriques d’échelle croissante du micro au meso (décrites dans l’axe 3), et la constitution d’une base de données expérimentale de la description de la morphologie du réseau de pore et de propriétés de transport.
Ce travail portera initialement sur un système pour lequel des données abondent dans la littérature et pour lequel le consortium CARMEN 2 possède une solide expertise, celui de la déshydratation des alcools catalysée par des zéolites acides.