Computational exploration of water adsorption and proton conduction in porous materials / Paulo Graziane Mendonça Mileo ; sous la direction de Guillaume Maurin et de Sabine Devautour-Vinot

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : anglais / English

Conduction protonique

Transfert de chaleur

Matériaux poreux

Maurin, Guillaume (1975-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Devautour-Vinot, Sabine (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Dufrêche, Jean-François (1973-....) (Président du jury de soutenance / praeses)

Ghoufi, Aziz (1976-....) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Malfreyt, Patrice (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Daou, Toufic Jean (1979 -....) (Membre du jury / opponent)

Steunou, Nathalie (Membre du jury / opponent)

Université de Montpellier (2015-2021) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-....) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : L’objectif de la thèse a été de comprendre la dynamique protonique et l'adsorption d'eau dans de nouveaux matériaux poreux identifiés expérimentalement comme des candidats prometteurs pour des applications dans le domaine de la conduction protonique et du transfert de chaleur par adsorption. Dans ce contexte, des simulations à l’échelle électronique (Théorie de la fonctionnelle de la Densité) et atomique (Monte Carlo et Dynamique Moléculaire classique) ont permis (i) d’élucider les mécanismes de conduction protonique assistées par l’eau de deux matériaux hybrides de type MOFs, MIL-163(Zr) et KAUST-7', et d'un phosphate de titane, TiIVTiIV(HPO4)4 à l’origine de leurs performances exceptionnelles et (ii) d’interpréter les comportements d’adsorption de l’eau d’une série de matériaux hybrides CUK-1(Me), MOF-801(Zr) and MIL-100(Fe) qui peuvent être modulées par la nature de leur centre métallique, la création de défauts et l’incorporation de sites de coordination insaturés. Cette connaissance fondamentale devrait permettre de voir émerger de façon plus efficace des matériaux pour les deux applications visées.

Résumé / Abstract : The objective of this PhD thesis was to gain insight into the proton dynamics and water adsorption mechanisms in novel porous materials that have been identified experimentally as promising candidates for low temperature proton conduction and adsorption-based heat reallocation-related applications. This was achieved by combining advanced computational tools at the electronic (Density Functional Theory) and atomic (force field_based Monte Carlo and Molecular Dynamics) levels to (i) reveal the water-assisted proton migration pathway through the pores of the hybrid metal organic frameworks MIL-163(Zr) and KAUST-7’and the inorganic phosphonate TiIVTiIV(HPO4)4 materials at the origin of their outstanding proton conduction performances and (ii) explain the water adsorption behaviors of a series of metal organic frameworks CUK-1(Me), MOF-801(Zr) and MIL-100(Fe) that can be tuned by changing the nature of the metal center, creating defects and incorporating coordinatively unsaturated sites. Such a fundamental understanding is expected to pave the way towards a more efficient development of materials for the two explored applications.