WO2024062200A1 - Procédé de synthèse de mofs écocompatibles, en particulier de mofs flexibles - Google Patents

Procédé de synthèse de mofs écocompatibles, en particulier de mofs flexibles Download PDF

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WO2024062200A1
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hours
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Georges MOUCHAHAM
Christian Serre
Farid Nouar
Shyamapada Nandi
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Centre National De La Recherche Scientifique
École Normale Supérieure
École Supérieure De Physique Et De Chimie Industrielles De La Ville De Paris
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Definitions

  • the present invention is in the field of the synthesis of coordination polymers, and more particularly concerns the preparation of crystallized metal-organic structures, also referred to as structured metal-organic compounds, or MOFs, according to synthesis routes not yet explored. , and which are eco-compatible.
  • a compound is said to be eco-compatible when its release into the natural environment is acceptable.
  • An eco-compatible MOF compound does not cause predictable or identifiable malfunctions or significant variation in its ecological balance, and corresponds to a MOF whose preparation, use and disposal at the end of its life are environmentally friendly in accordance with the article: “MOFs industrialization: a complete assessment of production costs, Maria Inippo Severino, Effrosyni Gkaniatsou, Farid Nouar, Moisés L. Pinto, Christian Serre, Faraday Discuss., 2021, 231, 326”.
  • MOFs based on trivalent metal carboxylates in particular those with Al
  • MIL-53(A1), an Al dicarboxylate is a reference MOF, very stable and with a flexible framework [27]
  • this MOF Considering its high structural flexibility, excellent water stability, this MOF has been studied for a wide range of potential applications such as gas separation [28-30], gas storage [31 ], catalysis [32, 33], detection [34], mechanical energy storage [35], nonlinear optics [36] etc. It was also demonstrated that the flexibility of this MOF could be used for CO2 separation (adsorption followed by regeneration) in the presence/absence of external stimulus, such as mechanical pressure [37],
  • MOFs of interest are solids of structure MIL-53 but with a functional group on the organic spacer of the MOF: MIL-53(A1)-NH2 and MIL-53(A1)-OH [ 38-41],
  • MOFs must generally be prepared in hydro- or solvothermal conditions, which are not very compatible with large-scale production.
  • one of the objectives of the present invention consists of producing MOFs using an innovative process implementing techniques that are easy to implement, such as heating at ambient pressure, using commercial starting materials and green solvents such as water, alcohols or a mixture thereof.
  • one of the objectives of the present invention consists of being able to produce MOFs using an innovative process implementing techniques that are easy to implement, such as pressure heating. ambient, from commercial, inexpensive constituents and green solvents such as water, (ethyl) alcohol, DMSO or a mixture containing water in high proportion.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a MOF, a MOF being a structured metal-organic compound comprising a two- or three-dimensional porous network consisting of inorganic entities connected by polydentate chelating ligands linked to several centers metallic; said polydentate chelating ligands being chosen from the group comprising:
  • aliphatic ligands comprising at least one carboxylic acid function, selected from ligands comprising a linear alkyl chain without unsaturation and ligands comprising carbon chains comprising at least one unsaturation such as fumaric acid or muconic acid ;
  • - aromatic ligands and C4-C24 heteroaromatic ligands comprising at least one carboxylic acid function, preferably benzyl or naphthyl di-, tri- or tetracarboxylate, and said aromatic or heteroaromatic ligands, optionally carrying on at least one aromatic ring a group selected from -NH2, -OH, -CH3, -OCH3, -NO2, -CF3, -COOH, -SO3H, -SH; said method comprising the following steps: a) dispersing in water a molecule of poly-dentate chelating ligand, and at least one metal precursor (that is to say at least one metal salt), preferably chosen from salts metal sulfate and metal chlorate salts, preferably an aluminum sulfate salt; b) optionally heat the dispersion obtained in a) to ambient pressure, and maintain it at a temperature of 50 to 150°C, for a period of 10 minutes to 96 hours; c)
  • aromatic group refers to unsaturated mono- or polycyclic hydrocarbon fragments, substituted or unsubstituted, stable, preferably having 3 to 14 carbon atoms, comprising at least a cycle satisfying Hückel's rule for aromaticity.
  • heteromatic group designates stable monoheterocyclic or polyheterocyclic fragments, substituted or unsubstituted, preferably having from 3 to 14 carbon atoms, comprising at least least one cycle satisfying Hückel's rule for aromaticity.
  • heteroaromatic entities include, but are not limited to, furanyl, pyridinyl (pyridine radical), indolinyl (indole radical), imidazolinyl (imidazole radical), pyrrolinyl (pyrrole radical) , quinolinyl, dihydroquinolinyl, isoquinolinyl, quinazolinyl, dihydroquinazolyl and tetrahydroquinazolyl.
  • 2,5 FDCA 2,5-furanedicarboxylic acid.
  • the polydentate chelating ligand is selected from at least one type of ligand chosen from a bidendate ligand, a tridentate ligand and a tetradendate ligand, and advantageously comprises C6-C24 aromatic compounds comprising at least one selected function from a carboxylic acid, phosphonic acid, amine, alcohol, ketone and azole function; preferably the polydentate chelating ligand is selected from at least one of the ligands: benzene-1,4-dicarboxylic acid or terephthalic acid (CSH ⁇ C, CAS: 100-21-0, known under the abbreviation 1,4- BDC, BDC, H2-BDC or even BDCH2), nitro-terephthalic acid (CSHSNO ⁇ , CAS: 610-29-7, known under the abbreviation NO2-1,4-BDC), 2-amino- terephthalic acid (C8H5NO4, CAS: 10312-55-7
  • the DMSO is eliminated by rinsing in an ethanol treatment step f) after step e).
  • the metal center of the method for manufacturing a MOF according to the invention comprises at least one metal selected from Cu, Zn, Ca, Mg, Ti, Zr, In, Ga, V, Cr, Mn, Fe and Al, preferably the metal is a metal ion selected from at least one metal ion of Fe, Al, Cr and Zr, even more preferably selected from at least one metal ion of Fe, Al, Cr and V.
  • the MOF prepared according to the process of the invention is selected from MIL-53, MIL-68, MIL-69, MIL-101, MIP-206, and DUT-7. So particularly preferred it is a MOF selected from MIL-53(A1), MIL-53(Fe), MIL-53(Cr), MIL-68(A1), MIL-68(Fe), MIL-68 (Cr) and MIP-206(Zr).
  • the MOF is selected from the MIL-53 class comprising a metal ion with the oxidation state +3 of a metal chosen from Cr, Al, Fe, V, Ga and In, and the aromatic ligand is benzene-1,4-dicarboxylic acid or a derivative.
  • the derivative of benzene-1,4-dicarboxylic acid is benzene-1,4-dicarboxylic acid substituted on the aromatic ring by at least one group chosen from: -NH2, -OH , -CH3, -NO2, -CF3, -COOH, -SO3H, -SH, -OCH3, and preferably an -NH2, -OH and -NO2 group.
  • Such ligands can for example be NO2-1,4-BDC, NH2-1,4-BDC, or even C1-1,4-BDC.
  • a base can be added during step a), such as sodium hydroxide, piperazine or urea.
  • the metal sulfate used in step a) is A12(SO 4 )3.16H 2 O, and preferably urea is added to the dispersion in step a) .
  • the metal chlorate used in step a) is FeCl 3.6H 2 O.
  • step b) is maintained for 8 hours and 48 hours; and in step e) the dispersion is heated to a temperature less than or equal to 130°C for 1 to 4 hours, with vigorous mechanical stirring.
  • Another object of the present invention relates to a MOF of the MIL-53 class, chosen from MIL-53(A1), MIL-53(A1)-NH 2 , MIL-53(A1)- NO 2 , MIL-53(A1)-OH, MIL-53(Fe) and MIL-53(Cr), prepared according to the process as described above without the use of DMF, and not involving a step of calcination.
  • Particle size is assessed by imaging, preferably by SEM microscopy.
  • the present invention also relates to a use of a MOF as described in the context of the present invention for the separation (gases, vapors, etc.); in particular CO2 capture (post-combustion, pre-combustion, or biogas); the separation of aromatics (xylenes), aliphatics (branched alkanes); the capture of organo-volatile compounds; water-alcohol purification; desalination; battery materials; catalysis such as the dehydrogenation of alcohols, or if the MOF is doped or combined with a co-catalyst, for the adsorption and conversion of small molecules (CO2, CH 4 , NH3, etc.); management of lost heat, for example by adsorption-flexibility compensation; and detection; separation or storage/release controlled by stimuli such as pressure, electric current, microwave irradiation, and magnetic field.
  • CO2 capture post-combustion, pre-combustion, or biogas
  • the separation of aromatics xylenes), alipha
  • the BET specific surface area as well as the pore volume were determined by the N2 adsorption method, on the basis of the N2 adsorption-desorption isotherms at -196° C (77K), measured in particular with a Micromeritics® TriStar brand device.
  • a “degassing” step i.e. vacuum heating
  • this step being able to follow step f) mentioned above .
  • FIG. l [36] [Fig. l ] - Figure 1 shows the FTIR spectra of MIL-53(A1) (synthesized using the SO4 salt) and its activated form in comparison with the free ligand;
  • FIG.2 shows the FTIR spectra of MIL-53(A1)-NO2 (synthesized using the salt SO4) and its activated form in comparison with the free ligand;
  • FIG.3 shows the FTIR spectra of MIL-53(A1)-NH2 (synthesized using the salt SO4) and its activated form in comparison with the free ligand;
  • FIG. 4 represents a comparative powder X-ray diffractogram (PXRD plot) of MIL-53-(Al) synthesized from SO4 salt.
  • the sample washed with DMSO then dried at 100 °C exists mainly in a configuration of narrow pores (or np for “narrow pore”) as opposed to wide pores (or Ip for “large pore”);
  • FIG. 5 shows a comparative FTIR plot of MIL-53 -(Al) synthesized from SO4 salt. Washing with DMSO followed by drying at 100 °C produces a MIL-53 sample that is free of any ligands inside the pore;
  • FIG.7 represents a comparative PXRD plot of MIL-53-(Al)-NO2 synthesized from chloride salt between a non-activated form and an activated form;
  • FIG. 10 represents FTIR spectra of MIL-53(A1)-NO2 and its activated form (synthesized from the chloride salt) in comparison with the ligand;
  • FIG. 11 represents FTIR spectra of MIL-53(A1)-NH2 and its activated form (synthesized from the chloride salt) in comparison with the ligand;
  • FIG. 12 represents the thermogravimetric analysis (TGA) curve of MIL-53(A1) (synthesized using the SO4 salt) showing the thermal stability of the structure before and after activation;
  • FIG. 13 represents the thermogravimetric analysis (TGA) curve of MIL-53(A1)-NO2 (synthesized using the SO4 salt) before and after activation;
  • FIG. 14 represents the thermogravimetric analysis (TGA) curve of MIL-53(A1)-NH2 (synthesized using the SO4 salt) before and after activation;
  • FIG. 15 represents the thermogravimetric analysis (TGA) curve of MIL-53(A1) (synthesized using the chloride salt);
  • FIG. 16 represents the thermogravimetric analysis (TGA) curve of MIL-53(A1)-NO2 (synthesized using the chloride salt);
  • FIG. 17 represents the thermogravimetric analysis (TGA) curve of MIL-53(A1)-NH2 (synthesized using the chloride salt);
  • FIG. 18 represents the 77KN2 isotherms of MIL-53(A1) synthesized using a chloride salt. Activation by calcination produces the sample with slightly less surface area than activation by washing with DMSO;
  • FIG. 19 represents a comparative powder X-ray diffractogram (PXRD plot) of MIL-53(Fe)-Cl;
  • FIG.20 represents the FTIR spectra of MIL-53(Fe)-Cl and its activated form in comparison with the free ligand;
  • FIG.21 represents the thermogravimetric analysis (TGA) curve of MIL-53(Fe)-Cl).
  • PXRD Powder X-ray diffraction
  • TGA TGA data were collected on a Mettler Toledo® TGA/DSC 2, STAR System with a heating rate of 5°C/min under oxygen flow.
  • FTIR Infrared spectra were measured with a Nicolet iS5 ThermoFisherTM FTIR spectrometer.
  • a mass percentage expressed in % m/m defines the mass percentage of an ingredient used in the preparation and taken in relation to the total mass of the object considered: a mixture , a material (composite, etc.), a membrane, etc.
  • MIL-53(A1) The synthesis of MIL-53(A1), and its derivatives, is optimized using different metal salts such as AICI3.6H2O, A1 2 (SO 4 )3.16-18H 2 O, Al(OH)(CH 3 COO)2 .xH 2 O, A1(OH) 3 and NaAlCL in the presence of different bases (NaOH, Urea).
  • Sulfate and chloride salts are reagents of choice for obtaining MIL-53(A1) MOFs.
  • the synthesis methods using these sulfate (Ex.1-3) and chloride (Ex.4-6) salts of said MIL-53 MOFs are described below.
  • MIL-53(A1) is synthesized using the reflux technique.
  • 100 mmol (66.6 g) of A1 2 (SO 4 )3.16H 2 O, 100 mmol (16.6 g) of 1,4-BDC (CAS: 100-21-0) and 100 mmol (6.0 g) of urea are dispersed in 200 ml of water in a 500 ml flask.
  • the mixture is heated to reflux at 120° C. and maintained at reflux for 12 hours. After cooling the reaction mixture to room temperature, the colorless powder is filtered and washed with 80 ml of water. The sample is then air dried overnight.
  • the as-synthesized product contains free 1,4-BDC.
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • the synthesized MIL-53(A1) powder (22.5 g) is suspended in 250 ml of DMSO in a 500 ml flask. Then the mixture is heated to 120° C. with continuous stirring and maintained for approximately 2 hours under these conditions. After cooling to 50°C, the suspension is centrifuged and washed with ethanol (70 ml), then with water (100 ml). The product is then dried in an oven at 100°C. The mass of isolated product is 18.5 g.
  • activation can also be carried out by calcination of the MIL-53(A1) sample in air, at 330°C for 36 hours. These reaction conditions of activation by calcination at high temperature are hardly compatible with implementation on an industrial scale.
  • the synthesized powder (25.5g) is suspended in 250 ml of DMSO in a 500 ml flask. Then the mixture is heated to 120° C. with continuous stirring and maintained for approximately 2 hours under these conditions. After cooling to 50°C, the suspension is centrifuged and washed with ethanol (70 ml) then with water (100 ml) are carried out. The product was then dried in an oven at 100°C. The mass of isolated product is 19.0 g.
  • MIL-53(A1) is synthesized using the reflux technique.
  • 150 mmol (36.15 g) of AICh.ôFLO are dissolved in 260 ml of water in a 500 ml bottle and the solution is heated to 100°C.
  • 125 mmol (20.75 g) of 1,4-BDC dissolved in 65 ml of 2M NaOH are added to the flask with stirring.
  • the mixture was refluxed for 12 hours at 120°C.
  • the colorless gel is filtered and washed with 200 ml of water.
  • the sample is then air dried (overnight).
  • the mass of isolated product is 23.0 g.
  • the as-synthesized product contains free 1,4-BDC.
  • Free 1,4-BDC is removed from the sample by washing with dimethyl sulfoxide (DMSO):
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • the synthesized powder (23.0 g) is suspended in 250 ml of DMSO in a 500 ml flask. Then the mixture was heated to 120° C. with continuous stirring and maintained for approximately 2 hours under these conditions. After cooling to 50°C, the suspension is centrifuged followed by washing with ethanol (70 ml) then with water (100 ml). The product is dried in an oven at 100°C. The product is then dried in an oven at 100°C. The mass of isolated product is 17.5 g.
  • activation can also be achieved by calcination.
  • the synthesized MIL-53(A1) powder is finely ground and spread well on a watch glass. Then the watch glass is placed in a programmable oven. The sample is heated to 330°C (for 2 hours) and maintained at 330°C for 36 hours. After cooling to room temperature, the powder is collected and characterized by PXRD, TGA and IR.
  • the synthesized powder is finely ground and placed in a 500 ml flask. 250 ml of ethanol are added. The product is refluxed at 100° C. for 10 hours and filtered hot (around 60° C.) and washed with 40 ml of hot ethanol. The mass of the isolated product is 24.25 g.
  • the sample may contain some traces of free ligand after the first wash. In this case, it must be washed once more with 150 ml of ethanol (100°C for 5 hours).
  • the as-synthesized product contains free 2-amino-terephthalic acid NH2-1,4-BDC.
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • Part 2 analyzes and results

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Abstract

Procédé de fabrication d'un MOF, un MOF étant un composé métallo-organique structuré comprenant un réseau poreux bi- ou tri-dimensionnel constitué d'entités inorganiques connectées par des ligands chélatants polydentés liés à plusieurs centres métalliques; lesdits ligands chélatants polydentés étant choisis notamment dans le groupe comprenant les ligands aromatiques et les ligands hétéroaromatiques en C5-C24, comportant au moins une fonction acide carboxylique, de préférence le di-, tri- ou tétracarboxylate de benzyle ou de naphtyle, et lesdits ligands aromatiques, ou hétéroaromatique, portant éventuellement sur au moins un noyau aromatique un groupement sélectionné parmi -NH2, -OH, -CH3, -NO2, -CF3, -COOH, - SO3H, -SH, -OCH3.

Description

Titre de l’invention : Procédé de synthèse de MOFs écocompatibles, en particulier de MOFs flexibles
Description
[ 1 ] La présente invention est du domaine de la synthèse des polymères de coordination, et concerne plus particulièrement la préparation de structures métallo-organiques cristallisées, également qualifiées de composés métallo-organiques structurés, ou MOFs, selon des voies de synthèses encore non explorées, et qui sont écocompatibles. Un composé est dit écocompatible lorsque son rejet dans le milieu naturel est acceptable. Un composé MOF écocompatible n'entraîne pas de dysfonctionnements prévisibles ou identifiables ni de variation significative de son équilibre écologique, et correspond à un MOF dont la préparation, l’utilisation et l’élimination en fin de vie sont respectueuses de l’environnement conformément à l’article : « MOFs industrialization: a complete assessment of production costs, Maria Inès Severino, Effrosyni Gkaniatsou, Farid Nouar, Moisés L. Pinto, Christian Serre, Faraday Discuss., 2021, 231, 326 ».
[2] Les références bibliographiques dans le texte qui suit sont notées de cette manière dans le texte de la description : [] ; et listés dans le tableau de références.
Etat de la technique
[3] La préparation et l’étude des composés métallo-organiques structurés, traduits de l’anglais « metal-organic framework », est un domaine de la chimie de coordination à part entière, avec des applications clairement identifiées dans le captage des gaz toxiques [1-5], le stockage des gaz [6-7], les techniques de séparation [8-12], la catalyse et félectrocatalyse des petites molécules [13-15], la réaffectation de la chaleur [16, 17], la récupération de l'eau [18], la détection [19], des applications biologiques [20], etc. Dans la plupart des applications industrielles visées, notamment la séparation des gaz, le stockage des gaz, la réaffectation de la chaleur et la récupération de l'eau, le MOF ciblé doit être produit à très grande échelle selon une méthode respectueuse de l'environnement avec un coût énergétique minimal.
[4] Cependant, le nombre de MOFs qu’il est possible de produire en grande quantité, à l’échelle industrielle, reste très limité par rapport au nombre de MOFs connus à ce jour [21], Or, les voies de synthèse identifiées à ce jour, de la grande majorité des MOFs ont uniquement recours à la technique hydrothermale ou solvothermale, laquelle technique requiert une quantité d'énergie importante impactant le coût de production final. Cela n’est pas compatible avec des méthodes simples telles qu’un chauffage à pression ambiante, tout en permettant de conserver ou d’envisager l’emploi de solvants verts comme le mélange aqueux eau/alcool [22],
[5] Parmi les différentes classes de MOFs connues, celles à base de carboxylates de métaux trivalents, en particulier ceux à l’Al, sont considérées comme les plus prometteuses en vue d’applications industrielles en raison de leur plus grande stabilité hydrolytique par rapport aux MOFs à base de carboxylates de métaux divalents [23-26], Le MIL-53(A1), un dicarboxylate d’Al, est un MOF de référence, très stable et à charpente flexible [27],
[6] Eu égard à sa grande flexibilité structurelle, son excellente stabilité à l'eau, ce MOF a été étudié pour une large gamme d’applications potentielles telles que la séparation des gaz [28-30], le stockage des gaz [31], la catalyse [32, 33], la détection [34], le stockage d’énergie mécanique [35], l'optique non linéaire [36] etc. Il a également été démontré que la flexibilité de ce MOF pouvait être utilisée pour la séparation du CO2 (adsorption suivie d’une régénération) en présence/absence de stimulus externe, comme la pression mécanique [37],
[7] D’autres MOFs flexibles d’intérêt sont les solides de structure MIL-53 mais avec un groupement fonctionnel sur l’espaceur organique du MOF : MIL-53(A1)-NH2 et MIL- 53(A1)-OH [38-41],
[8] Ces MOFs flexibles doivent être généralement préparés en conditions hydro- ou solvo-thermales, peu compatibles avec une production à grande échelle. Pour pallier cet inconvénient, l’un des objectifs de la présente invention consiste à produire des MOFs à l’aide d’un procédé innovant mettant en œuvre des techniques faciles à mettre en œuvre, telles qu’un chauffage à pression ambiante, en utilisant des matériaux de départ commerciaux et des solvants verts tel que l’eau, les alcools ou un mélange de ceux-ci.
[9] Bien que la synthèse du MIL-53(A1) ait été reportée selon plusieurs protocoles, que ce soit par précipitation à température ambiante en utilisant de l'eau comme solvant, procédé respectueux de l’environnement [43], l’utilisation de sels métalliques nécessite des solutions diluées ce qui réduit considérablement le rendement spatio-temporel (STY) et rend ce procédé peu réaliste d’un point de vue industriel. En outre, pour élaborer des MOFs flexibles à base d’aluminium, tels que les MIL-53(A1), l’emploi de A1(NO3)3.6H2O comme source d’Al3+ entraine un risque chimique important (nitrates) ce qui rend moins évident leur production à l’échelle industrielle, ce qui démontre qu’il existe un réel besoin de développement de méthodes de synthèse alternatives.
[10] Bien que Biswas et al. ait décrit une méthode de synthèse de plusieurs structures de MIL-53(A1) fonctionnalisées en partant de AICI3.6H2O [44], cette méthode implique la voie hydrothermale ou solvothermale, avec les inconvénients précités au regard des exigences industrielles.
[11] On peut citer également comme art antérieur les synthèses suivantes :
- la synthèse de MIL-53(Fe) et MIL-53(Fe)-NH2 mettant en œuvre des solvants verts tels que de l’eau comme solvant et un mélange eau-éthanol comme solution de lavage, mais nécessitant des conditions de température et de pression élevées (par voie hydro/solvo-thermale) [45, 46] ;
- la synthèse d’un MOF, plus précisément le In(OH)BDC 0,75BDCH2, dans, là aussi, des conditions solvothermales en présence d’acide fluorhydrique et de /V-A'-di methyl formamide (ou dit DMF), le DMF étant connu en soi comme solvant toxique [47] ; et
- la synthèse, par chauffage par micro-ondes, de MIL-53(X), avec X étant de l’aluminium ou du chrome, à pression ambiante [48] en utilisant un mélange d’eau et de solvant organique (lequel peut être du DMF ou du diméthylsulfoxyde, aussi dit DMSO) et utilisant exclusivement du DMF comme solution de lavage.
[12] Pour pallier ces inconvénients, l’un des objectifs de la présente invention consiste à pouvoir produire des MOFs à l'aide d’un procédé innovant mettant en œuvre des techniques faciles à mettre en œuvre, telles qu’un chauffage à pression ambiante, à partir de constituants commerciaux, peu onéreux et des solvants verts tel que l’eau, l’alcool (éthylique), le DMSO ou un mélange contenant de l’eau en forte proportion.
Description de l’invention
[13] La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un MOF, un MOF étant un composé métallo-organique structuré comprenant un réseau poreux bi- ou tri-dimensionnel constitué d’entités inorganiques connectées par des ligands chélatants polydentés liés à plusieurs centres métalliques ; lesdits ligands chélatants polydentés étant choisis dans le groupe comprenant :
- les ligands aliphatiques en C4-C24 comportant au moins une fonction acide carboxylique, sélectionnés parmi les ligands comportant une chaîne linéaire alkyl sans insaturation et les ligands comportant des chaînes carbonées comportant au moins une insaturation tels que l’acide fumarique ou l’acide muconique ;
- les ligands aromatiques et les ligands hétéroaromatiques en C4-C24, comportant au moins une fonction acide carboxylique, de préférence le di-, tri- ou tétracarboxylate de benzyle ou de naphtyle, et lesdits ligands aromatiques, ou hétéroaromatiques, portant éventuellement sur au moins un noyau aromatique un groupement sélectionné parmi -NH2, -OH, -CH3, -OCH3, -NO2, -CF3, -COOH, -SO3H, -SH ; ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) disperser dans de l’eau une molécule de ligand chélatant poly denté, et au moins un précurseur métallique (c’est-à-dire au moins un sel métallique), de préférence choisi parmi les sels de sulfate métallique et les sels de chlorate métallique, de préférence un sel de sulfate d’aluminium ; b) chauffer éventuellement la dispersion obtenue en a) à pression ambiante, et la maintenir à une température de 50 à 150°C, pendant une durée de 10 minutes à 96 heures ; c) laisser revenir à température ambiante, filtrer et laver à l’eau le solide obtenu ; d) sécher le solide obtenu en c) ; e) disperser sous agitation le solide obtenu en d) dans une solution comprenant du, voire constituée de DMSO pendant une durée de 30 minutes à 15 heures, à une température inférieure ou égale à 150°C.
[14] Les inventeurs ont démontré qu’il était possible de réaliser des synthèses de MOFs dans l’eau, grâce à une étape ultérieure de lavage au DMSO rendant possible l’élimination des réactifs non transformés. Les méthodes de synthèse classiques requièrent habituellement de réaliser la synthèse (ou du moins l’étape de lavage) dans des solvants toxiques, comme le DMF, pour que les impuretés soient éliminées avec le solvant de lavage et ne restent pas confinées dans les pores des MOFs, le tout en chauffant pendant plusieurs jours le solide dans la solution portée à 150°C.
[15] Il est précisé que, dans ce qui précède et ce qui suit, les termes de lavage et d’activation s’entendent de la même façon et peuvent donc être tout à fait interchangeables.
[16] Les inventeurs ont également démontré que l’utilisation du DMSO lors de l’étape du lavage permettait de réduire le temps de cette étape par rapport à une telle étape de lavage réalisée avec du DMF. En effet, grâce à la polarité relativement plus élevée du DMSO et à la meilleure solubilité de certains ligands dans ce solvant - par rapport au DMF - les réactifs non transformés sont éliminés plus rapidement.
[17] Dans le cadre de l’invention, le terme « groupement aromatique », se réfère à des fragments hydrocarbonés mono- ou polycycliques insaturés, substitués ou non substitués, stables, ayant de préférence 3 à 14 atomes de carbone, comprenant au moins un cycle satisfaisant à la règle de Hückel pour l'aromaticité.
[18] Le terme « groupement hétéroaromatique », tel qu'il est utilisé dans le cadre de l’invention, désigne des fragments monohétérocycliques ou polyhétérocycliques stables, substitués ou non substitués, ayant de préférence de 3 à 14 atomes de carbone, comprenant au moins un cycle satisfaisant à la règle de Hückel pour l'aromaticité. Des exemples d'entités hétéroaromatiques comprennent, sans s'y limiter, les groupes furanyle, pyridinyle (radical de la pyridine), indolinyle (radical de l’indole), imidazolinyle (radical de l’imidazole), pyrrolinyle (radical du pyrrole), quinolinyle, dihydroquinolinyle, isoquinolinyle, quinazolinyle, dihydroquinazolyle et tétrahydroquinazolyle. Parmi les ligands comportant un tel groupement peut être cité le 2,5 FDCA : acide 2,5-furanedicarboxylique.
[19] De préférence, le ligand chélatant poly denté est sélectionné parmi au moins un type de ligand choisi parmi un ligand bidendate, un ligand tridentate et un ligand tétradendate, et comprend avantageusement des composés aromatiques en C6-C24 comportant au moins une fonction sélectionnée parmi une fonction acide carboxylique, acide phosphonique, amine, alcool, cétone et azole ; de préférence le ligand chélatant polydenté est sélectionné parmi au moins l’un des ligands: l’acide benzène- 1 ,4-dicarboxylique ou acide téréphtalique (CSHÔC , CAS: 100-21-0, connu sous l’abréviation 1,4-BDC, BDC, H2-BDC ou encore BDCH2), l’acide nitro-téréphtalique (CSHSNOÔ, CAS :610-29-7, connu sous l’abréviation NO2-1,4-BDC), l’acide 2-amino-téréphtalique (C8H5NO4, CAS : 10312-55-7, connu sous l’ abréviation NH2- 1,4- BDC), l’acide chloro-2-téréphtalique (C8H5CIO4, CAS : 1967-31-3, connu sous l’abréviation C1-1,4-BDC), l’acide benzène- 1,3, 5 -tricarboxylique (CôH CChHTh, CAS: 554-95-0), l’acide 3,3’,5,5’-azobenzènetétracarboxylique (C16H10N2O8, CAS: 365549-33-3), l’acide 3,5- pyrazoledicarboxylique (C5H4N2O4, CAS: 303180-11-2), l’acide 2,5-bistrifluorométhyl-l,4- benzènedicarboxylique (C10H4F6O4, CAS: 366008-67-5), l’acide 2-(trifluorométhyl)-l,4- benzènedicarboxylique (C9H5F3O4, CAS: 1483-47-2), le 1,2,4-triazole (C2H3N3, CAS: 288-88- 0), le 2-méthylimidazole (C4H6N2, CAS: 693-98-1), l’acide N,N’- pipérazine(methylènephosphonique) (C6H16N2O6P2, CAS: 89280-71-7), l’acide L-aspartique (C4H7NO4, CAS: 56-84-8), l’acide 2,5-dihydroxytéréphtalique (CSOÔHÔ, CAS: 610-92-4) et le 3 ,4-dihydroxy-3 -cyclobutène- 1,2-dione (C4O4H2, CAS: 2892-51-5).
[20] Avantageusement, le DMSO est éliminé par rinçage dans une étape f) de traitement à l’éthanol après l’étape e).
[21] De préférence, le centre métallique du procédé de fabrication d’un MOF selon l’invention comprend au moins un métal sélectionné parmi Cu, Zn, Ca, Mg, Ti, Zr, In, Ga, V, Cr, Mn, Fe et Al, de préférence le métal est un ion métallique sélectionné parmi au moins un ion métallique de Fe, Al, Cr et Zr, encore plus préférentiellement sélectionné parmi au moins un ion métallique de Fe, Al, Cr et V.
[22] De préférence, le MOF préparé selon le procédé de l ’invention est sélectionné parmi un MIL-53, un MIL-68, un MIL-69, un MIL-101, un MIP-206, et un DUT-7. De manière particulièrement préférée il s’agit d’un MOF sélectionné parmi MIL-53(A1), MIL-53(Fe), MIL- 53(Cr), MIL-68(A1), MIL-68(Fe), MIL-68(Cr) et MIP-206(Zr).
[23] De préférence, dans lequel le MOF est sélectionné dans la classe des MIL-53 comprenant un ion métallique au degré d’oxydation +3 d’un métal choisi parmi Cr, Al, Fe, V, Ga et In, et le ligand aromatique est de l’acide benzène- 1 ,4-dicarboxylique ou un dérivé.
[24] De préférence, le dérivé de l’acide benzène- 1 ,4-dicarboxylique est de l’acide benzène- 1 ,4-dicarboxyli que substitué sur le noyau aromatique par au moins un groupement choisi parmi : -NH2, -OH, -CH3, -NO2, -CF3, -COOH, -SO3H, -SH, -OCH3, et de préférence un groupement -NH2, -OH et -NO2.
[25] De tels ligands peuvent par exemple être le NO2-1,4-BDC, le NH2-1,4-BDC, ou encore le C1-1,4-BDC.
[26] Conformément à l’invention, une base peut être ajoutée lors de l’étape a), telle que de la soude, de la pipérazine ou de l’urée.
[27] De préférence, le sulfate métallique mis en œuvre à l’étape a) est de l’A12(SO4)3.16H2O, et de préférence de l’urée est ajoutée à la dispersion à l’étape a).
[28] De préférence, dans lequel le chlorate métallique mis en œuvre à l’étape a) est du FeCl3.6H2O.
[29] De préférence, l’étape b) est maintenue pendant 8h et 48 heures ; et à l’étape e) la dispersion est chauffée à une température inférieure ou égale à 130°C pendant 1 à 4h, avec une agitation mécanique vigoureuse.
[30] Un autre objet de la présente invention concerne un MOF de la classe des MIL-53, choisi parmi le MIL-53(A1), le MIL-53(A1)-NH2, le MIL-53(A1)-NO2, MIL-53(A1)-OH, le MIL-53(Fe) et le MIL-53(Cr), préparé suivant le procédé tel que décrit précédemment sans utilisation de DMF, et ne faisant pas intervenir d’étape de calcination.
[31] La taille des particules est évaluée par imagerie, de préférence par microscopie MEB.
[32] La présente invention concerne également une utilisation d’un MOF tel que décrit dans le cadre de la présente invention pour la séparation (gaz, vapeurs...) ; en particulier la capture du CO2 (postcombustion, précombustion, ou biogaz) ; la séparation des aromatiques (xylènes), aliphatiques (alcanes branchés) ; la capture des composés organo-volatils ; la purification eau-alcools ; la désalinisation ; les matériaux pour batteries ; la catalyse telle que la déhydrogénation des alcools, ou si le MOF est dopé ou combiné à un co-catalyseur, pour l’adsorption et conversion de petites molécules (CO2, CH4, NH3...) ; la gestion de la chaleur perdue par exemple par compensation adsorption-flexibilité ; et la détection ; la séparation ou le stockage/relargage contrôlé par stimuli tel que la pression, le courant électrique, l’irradiation micro-ondes, et le champ magnétique.
[33] Dans le cadre de la présente invention, la surface spécifique BET ainsi que le volume des pores, ont été déterminés par la méthode d’adsorption de N2, sur la base des isothermes d’adsorption-désorption de N2 à -196°C (77K), mesurés notamment avec un appareil de la marque Micromeritics® TriStar.
[34] Avantageusement, une étape de « dégazage » (i.e. chauffage sous vide) peut être mise en œuvre pour la préparation des échantillons avant la mesure d’isotherme de sorption, cette étape pouvant succéder à l’étape f) mentionnée ci-avant.
[35] La présente invention est également décrite dans la description détaillée qui va suivre, à l’aide de la partie expérimentale qui détaille certains modes de réalisation à l’aide d’exemples, uniquement donnés à titre illustratif et qui ne doivent pas être considérés comme limitatifs, et des figures brièvement décrites dans la partie qui va suivre.
Brève description des figures
[36] [Fig. l ] - la figure 1 représente les spectres FTIR de MIL-53(A1) (synthétisé en utilisant le sel SO4) et de sa forme activée en comparaison avec le ligand libre;
[37] [Fig.2] - la figure 2 représente les spectres FTIR de MIL-53(A1)-NO2 (synthétisé en utilisant le sel SO4) et de sa forme activée en comparaison avec le ligand libre;
[38] [Fig.3] - la figure 3 représente les spectres FTIR de MIL-53(A1)-NH2 (synthétisé en utilisant le sel SO4) et de sa forme activée en comparaison avec le ligand libre;
[39] [ F i g .4 ] - la figure 4 représente un diffractogramme des rayons X sur poudre (tracé PXRD) comparatif de MIL-53-(Al) synthétisé à partir de sel de SO4. L’échantillon lavé au DMSO puis séché à 100 °C existe principalement dans une configuration de pores étroits (ou np pour « narrow pore ») par opposition à pores larges (ou Ip pour « large pore ») ;
[40] [Fi g.5] - la figure 5 représente un tracé FTIR comparatif de MIL-53 -(Al) synthétisé à partir de sel de SO4. Le lavage au DMSO suivi d’un séchage à 100 °C produit un échantillon de MIL-53 qui est libre de tout ligand à l'intérieur du pore ;
[41] [Fi g.6] - la figure 6 représente un tracé PXRD comparatif de MIL-53 -(Al) synthétisé à partir de sel de chlorure entre une forme non activée et une forme activée (séché sous vide à 100 °C) ;
[42] [Fig.7] - la figure 7 représente un tracé PXRD comparatif de MIL-53-(Al)-NO2 synthétisé à partir de sel de chlorure entre une forme non activée et une forme activée ;
[43] [Fi g.8] - la figure 8 représente un tracé PXRD comparatif de MIL-53-(Al)-NH2 synthétisé à partir de sel de chlorure entre une forme non activée et une forme activée ; [44] [Fig .9] - la figure 9 représente des spectres FTIR du MIL-53(A1) et de sa forme activée (synthétisée à partir du sel de chlorure) en comparaison avec le ligand ;
[45] [Fig. 10] - la figure 10 représente des spectres FTIR du MIL-53(A1)-NO2 et de sa forme activée (synthétisée à partir du sel de chlorure) en comparaison avec le ligand ;
[46] [Fig. 11 ] - la figure 11 représente des spectres FTIR du MIL-53(A1)-NH2 et de sa forme activée (synthétisée à partir du sel de chlorure) en comparaison avec le ligand ;
[47] [Fig. 12] - la figure 12 représente la courbe d’analyse thermogravimétrique (ATG) de MIL-53(A1) (synthétisé en utilisant le sel SO4) montrant la stabilité thermique de la structure avant et après activation ;
[48] [Fig. 13] - la figure 13 représente la courbe d’analyse thermogravimétrique (ATG) de MIL-53(A1)-NO2 (synthétisé en utilisant le sel SO4) avant et après activation ;
[49] [Fig. 14] - la figure 14 représente la courbe d’analyse thermogravimétrique (ATG) de MIL-53(A1)-NH2 (synthétisé en utilisant le sel SO4) avant et après activation ;
[50] [Fig. 15] - la figure 15 représente la courbe d’analyse thermogravimétrique (ATG) de MIL-53(A1) (synthétisé en utilisant le sel de chlorure) ;
[51] [Fig. 16] - la figure 16 représente la courbe d’analyse thermogravimétrique (ATG) de MIL-53(A1)-NO2 (synthétisé en utilisant le sel de chlorure) ;
[52] [Fig. 17] - la figure 17 représente la courbe d’analyse thermogravimétrique (ATG) de MIL-53(A1)-NH2 (synthétisé en utilisant le sel de chlorure) ;
[53] [Fig. 18] - la figure 18 représente les isothermes 77KN2 de MIL-53(A1) synthétisé en utilisant un sel de chlorure. L'activation par calcination produit l'échantillon avec une surface légèrement inférieure à celle de l'activation par lavage au DMSO ;
[54] [Fig. 19] - la figure 19 représente un diffractogramme des rayons X sur poudre (tracé PXRD) comparatif de MIL-53(Fe)-Cl ;
[55] [Fig.20] - la figure 20 représente les spectres FTIR de MIL-53(Fe)-Cl et de sa forme activée en comparaison avec le ligand libre ; et
[56] [Fig.21 ] - la figure 21 représente la courbe d’analyse thermogravimétrique (ATG) de MIL-53(Fe)-Cl).
Partie Expérimentale
[57] Matériel et méthodes
Les réactifs utilisés sont commercialisés par la société Alfa Aesar® et utilisés sans autre purification. [58] Instrumentation
PXRD : Les données de diffraction des rayons X sur poudre (PXRD) ont été recueillies à l'aide d’un diffractomètre Bruker® D8 Advance à haut débit travaillant en mode transmission et équipé d’un miroir de Gôbel focalisant. La source de rayons X était un rayonnement Cu-Ka (X = 1 ,5418 Â).
[59] Mesure de sorption
Toutes les données de porosimétrie de l'azote ont été recueillies sur un instrument Micromeritics® TriStar à 77K. Les isothermes du CO2 et du N2 à 298K ont été enregistrées sur un instrument Micromeritics® Triflex. Dans tous les cas, les mesures ont été enregistrées en utilisant des gaz d'ultra-haute pureté (grade >4,8). Avant la mesure d'adsorption, tous les échantillons ont été dégazés à une certaine température (180-200°C) pendant 8 heures. Le dégazage a été effectué en une seule étape à l'aide d'une unité de dégazage SmartVacPrep de Micromeritics® : évacuation à 180-200°C sur le port de dégazage (P=10-6 mbar), le taux de dégazage étant alors < 2 pbar/min.
[60] TGA : Les données TGA ont été recueillies sur un appareil Mettler Toledo® TGA/DSC 2, STAR System avec une vitesse de chauffage de 5 °C/min sous flux d'oxygène.
[61] FTIR : Les spectres infrarouges ont été mesurés avec un spectromètre FTIR Nicolet iS5 ThermoFisher™.
[62] L’observation de la topographie de surface des échantillons a été effectuée par microscopie électronique à balayage (MEB) à l’aide d’un FEI Magellan 400™.
[63] La distribution des tailles des particules est réalisée au MEB et les mesures de taille des particules sont effectuées avec le logiciel ImageJ™.
[64] Dans le cadre de l’invention, un pourcentage massique exprimé en % m/m, définit le pourcentage en masse d’un ingrédient utilisé dans la préparation et pris par rapport à la masse totale de l’objet considéré : un mélange, un matériau (composite, etc), une membrane, etc.
Exemples
[65] Partie 1 : synthèses
La synthèse du MIL-53(A1), et de ses dérivés, est optimisée en utilisant différents sels métalliques tels que AICI3.6H2O, A12(SO4)3.16-18H2O, Al(OH)(CH3COO)2.xH2O, A1(OH)3 et NaAlCL en présence de différentes bases (NaOH, Urée). Les sels de sulfate et de chlorure sont des réactifs de choix pour l’obtention des MOFs de MIL-53(A1). Les méthodes de synthèse mettant en œuvre ces sels de sulfate (Ex.1-3) et de chlorure (Ex.4-6) desdits MOFs de MIL-53 sont décrites ci-dessous. [66] Exemple 1 :
[67] Préparation du MIL-536AI )
[68] Le MIL-53(A1) est synthétisé en utilisant la technique de reflux. 100 mmol (66,6 g) de A12(SO4)3.16H2O, 100 mmol (16,6 g) de 1,4-BDC (CAS : 100-21-0) et 100 mmol (6,0 g) d'urée sont dispersés dans 200 ml d'eau dans un ballon de 500 ml. Le mélange est chauffé à reflux à 120°C et maintenu à reflux pendant 12 heures. Après refroidissement du mélange réactionnel à température ambiante, la poudre incolore est filtrée et lavée avec 80 ml d’eau. L’échantillon est ensuite séché à l’air pendant une nuit. Le produit tel que synthétisé contient du 1,4-BDC libre.
Le 1,4-BDC libre est éliminé de l’échantillon par lavage avec du diméthyl sulfoxyde (DMSO) :
[69] Activation du MIL-53(A1)
[70] La poudre de MIL-53(A1) synthétisée (22.5g) est mise en suspension dans 250 ml de DMSO dans un ballon de 500 ml. Puis le mélange est chauffé à 120°C sous agitation continue et maintenu pendant environ 2 heures dans ces conditions. Après refroidissement à 50°C, la suspension est centrifugée et lavée à l'éthanol (70 ml), puis à l'eau (100 ml). Le produit est ensuite séché dans un four à 100°C. La masse en produit isolé est de 18,5 g.
[71] Alternativement, l’activation peut également être réalisée par calcination de l’échantillon de MIL-53(A1) sous air, à 330°C pendant 36h. Ces conditions réactionnelles de l’activation par calcination à haute température sont peu compatibles avec une mise en œuvre à l’échelle industrielle.
[72] Exemple 2 : (hors invention)
[73] Préparation du MIL-53(A1)-NO2
[74] La synthèse est réalisée en utilisant la technique de reflux. 100 mmol (66,6 g) de A12(SC>4)3.16H2O, 100 mmol (21,1 g) d'acide nitro-téréphtalique (NO2-1,4-BDC, CAS : 610- 29-7) et 100 mmol (6,0 g) d'urée ont été dispersés dans 200 ml d'eau dans un ballon de 500 ml. Le mélange a ensuite été porté à reflux à 120°C et maintenu à reflux pendant 12 heures. Après refroidissement du mélange réactionnel à température ambiante, la poudre incolore a été filtrée et lavée avec 80 ml d’eau. L’échantillon a ensuite été séché à l’air (pendant une nuit). Le produit tel que synthétisé contient de l’acide nitro-téréphtalique libre. Il est éliminé de l’échantillon par lavage avec de l’éthanol (EtOH) :
[75] Activation du MIL-53(A1)- NO2
[76] La poudre synthétisée (26.5g) est mise en suspension dans 250 ml d'EtOH dans un ballon de 500 ml. Ensuite, le mélange a été chauffé à 100°C sous agitation continue et maintenu pendant environ 4 heures dans ces conditions. Après refroidissement à 50°C, la suspension a été filtrée puis rincée à l'éthanol (60 ml). Le produit a ensuite été séché dans un four à 100°C. La masse en produit isolé est de 22,5 g.
[77] Exemple 3 :
[78] Préparation du MIL-53(A1)-NH2
[79] La synthèse est réalisée en utilisant la technique de reflux. 100 mmol (66,6 g) de Ah(SO4)3.16H2O, 100 mmol (18,1 g) d'acide 2-amino-téréphtalique (NH2-1,4-BDC, CAS : 10312-55-7) et 100 mmol (6,0 g) d'urée ont été dispersés dans 200 ml d'eau dans un ballon de 500 ml. Le mélange a ensuite été porté à reflux à 120°C et maintenu à reflux pendant 12 heures. Après refroidissement du mélange réactionnel à température ambiante, la poudre incolore a été filtrée et lavée avec 80 ml d’eau. L’échantillon a ensuite été séché à l’air (pendant une nuit). Le produit tel que synthétisé contient de l’acide 2-amino-téréphtalique 1,4-BDC libre.
L’acide 2-amino-téréphtalique libre est éliminé de l’échantillon par lavage avec du diméthyl sulfoxyde (DM S O) :
[80] Activation du MIL-53(A1)- NH2
[81] La poudre synthétisée (25.5g) est mise en suspension dans 250 ml de DMSO dans un ballon de 500 ml. Puis le mélange est chauffé à 120°C sous agitation continue et maintenu pendant environ 2 heures dans ces conditions. Après refroidissement à 50°C, la suspension est centrifugée et un lavage à l’éthanol (70 ml) puis à l’eau (100 ml) sont réalisés. Le produit a ensuite été séché dans un four à 100°C. La masse en produit isolé est de 19,0 g.
[82] Exemple 4 :
[83] Préparation du MIL-53(A1)
[84] Le MIL-53(A1) est synthétisé en utilisant la technique de reflux. 150 mmol (36,15 g) d’AICh.ôFLO sont dissous dans 260 ml d'eau dans un flacon de 500 ml et la solution a été chauffée à 100°C. Ensuite, 125 mmol (20,75 g) de 1,4-BDC dissous dans 65 ml de NaOH 2M sont ajoutés au ballon sous agitation. Puis le mélange a été porté à reflux pendant 12 heures à 120°C. Après cela, le gel incolore est filtré et lavé avec 200 ml d’eau. L’échantillon est ensuite séché à l'air (pendant une nuit). La masse en produit isolé est de 23,0 g. Le produit tel que synthétisé contient du 1,4-BDC libre. Le 1,4-BDC libre est éliminé de l’échantillon par lavage avec du diméthyl sulfoxyde (DMSO) :
[85] Activation du MIL-53(A1)
[86] La poudre synthétisée (23,0 g) est mise en suspension dans 250 ml de DMSO dans un ballon de 500 ml. Puis le mélange a été chauffé à 120°C sous agitation continue et maintenu pendant environ 2 heures dans ces conditions. Après refroidissement à 50°C, la suspension est centrifugée suivie d'un lavage à l'éthanol (70 ml) puis à l'eau (100 ml). Le produit est séché dans un four à 100°C. Le produit est ensuite séché dans un four à 100°C. La masse en produit isolé est de 17,5 g.
[87] Alternativement, l'activation peut également être réalisée par calcination. La poudre de MIL-53(A1) synthétisé est finement broyée et bien étalée sur un verre de montre. Puis le verre de montre est placé dans un four programmable. L'échantillon est chauffé à 330°C (pendant 2 heures) et maintenu à 330°C pendant 36 heures. Après refroidissement à température ambiante, la poudre est recueillie et caractérisée par PXRD, TGA et IR.
[88] Exemple 5 : (hors invention)
[89] Préparation du MIL-53(A1)-NC>2
[90] La synthèse est réalisée en utilisant la technique de reflux. 100 mmol (66.6 g) de AICI3.6H2O sont dissous dans 250 ml d’eau dans un ballon de 500 ml et la solution a été chauffée à 100°C. Ensuite, 125 mmol (26,39 g) d’acide nitro-téréphtalique dissous dans 65 ml de NaOH 2M (dans un bêcher) sont ajoutés au ballon sous agitation. 20 ml d’eau supplémentaires sont ajoutés pour rincer le bêcher. Puis le mélange est porté à reflux pendant 12 heures à 120°C. Après cela, le solide incolore est filtré et lavé avec 150 ml d'eau et rincé avec 50 ml d'éthanol. L’échantillon est ensuite séché à l’air (pendant une nuit). La masse de produit isolé est de 26,0 g. Le produit tel que synthétisé contient de l’acide nitro-téréphtalique libre.
Il est éliminé de l'échantillon par lavage avec de l'éthanol (EtOH) :
[91] Activation du MIL-53(A1)- NO2
[92] La poudre synthétisée est finement broyée et placée dans un ballon de 500 ml. 250 ml d'éthanol sont ajoutés. Le produit est porté à reflux à 100°C pendant 10 heures et filtré à chaud (environ 60°C) et lavé avec 40 ml d'éthanol chaud. La masse en produit isolé est de 24,25 g-
[93] Remarque : Dans certains cas, l’échantillon peut contenir quelques traces de ligand libre après le premier lavage. Dans ce cas, il doit être lavé une fois de plus avec 150 ml d'éthanol (100°C pendant 5 heures).
[94] Exemple 6 :
[95] Préparation du MIL-53(A1)-NH2
[96] La synthèse est réalisée en utilisant la technique de reflux. 150 mmol (36,15 g) de AICI3.6H2O sont dissous dans 200 ml d’eau dans un ballon de 500 ml et la solution a été chauffée à 100°C. Ensuite, 125 mmol (22,64 g) d'acide 2-amino-téréphtalique (NH2-1,4-BDC, CAS : 10312-55-7) dissous dans 120 ml de NaOH 2M (dans un bêcher) sont ajoutés au ballon sous agitation. 30 ml d'eau sont ajoutés pour rincer le bêcher. Puis le mélange est porté à reflux pendant 12 heures à 120°C. Après cela, le solide jaunâtre est filtré et lavé avec 200 ml d'eau et rincé avec 30 ml d'éthanol. L'échantillon est ensuite séché à l'air (pendant une nuit). La masse du produit isolé est de 19,0 g. Le produit tel que synthétisé contient de l’acide 2-amino- téréphtalique NH2-1,4-BDC libre.
L'acide 2-amino-téréphtalique libre est éliminé de l'échantillon par lavage avec du diméthyl sulfoxyde (DM S O) :
[97] Activation du MIL-53(A1)- NH2
[98] La poudre ainsi synthétisée est finement broyée et placée dans un ballon de 500 ml. 250ml de DMSO sont ajoutés. Le mélange est porté à reflux à 120°C pendant 2 heures. Après refroidissement à 50°C, la suspension est centrifugée suivie d’un lavage à l’éthanol (70 ml) puis à l’eau (100 ml). Le produit a ensuite été séché dans un four à 100°C. La masse en produit isolé est de 16,2 g.
[99] Exemple 7:
[100] Préparation du MIL-53(Fe)-Cl
[101] La synthèse est réalisée en utilisant la technique de reflux. 15 mmol (4,10 g) de FeCh.ôEhO et 15 mmol (3,00 g) d’acide chloro-2-téréphtalique (C1-1,4-BDC, CAS : 1967-31- 3) sont dissous dans 120 ml d’eau dans un ballon de 250 ml. Puis le mélange est porté à reflux pendant 48 heures. Après cela, le solide incolore obtenu est filtré et lavé avec 80 ml d’eau. L’échantillon est ensuite séché à l’air (pendant une nuit). La masse du produit isolé est de 3,4 g. Le produit tel que synthétisé contient de l'acide 2-amino-téréphtalique 1,4-BDC libre.
L'acide 2-amino-téréphtalique libre est éliminé de l'échantillon par lavage avec du diméthyl sulfoxyde (DMSO) :
[102] Activation du MIL-53(Fe)-Cl
[103] La poudre ainsi synthétisée est finement broyée et placée dans un ballon de 100 ml. 50ml de DMSO sont ajoutés. Le mélange est porté à reflux à 120°C sous agitation pendant 2 heures. Après refroidissement à 50°C, la suspension est centrifugée suivie d’un lavage à l'éthanol (20 ml) puis à l'eau (15 ml). Le produit a ensuite été séché dans un four à 100°C. La masse en produit isolé est de 3,0 g.
[104] Partie 2 : analyses et résultats
[105] La comparaison des spectres FTIR et PXRD aux figures 1 à 11 montre que l’activation permet l’élimination de tout le ligand libre qui n’a pas réagi dans la synthèse du MOF. [106] La comparaison des spectres d’analyse thermogravimétrique (ATG) aux figures 12 à 17 montre également que l’activation permet l’élimination de tout le ligand libre qui n’a pas réagi dans la synthèse du MOE
[107] Le spectre d’absorption des gaz montré à la figure 18, montre que l'activation par calcination produit un MOF MIE-53(A1) avec une surface BET légèrement inférieure à celle de l'activation par lavage au DMSO.
Références [108] Le tableau suivant liste les références citées précédemment dans le texte :
[Tableau 1]
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Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de fabrication d’un MOF, un MOF étant un composé métallo-organique structuré comprenant un réseau poreux bi- ou tri-dimensionnel constitué d’entités inorganiques connectées par des ligands chélatants poly dentés liés à plusieurs centres métalliques ; lesdits ligands chélatants polydentés étant choisis dans le groupe comprenant :
- les ligands aliphatiques en C4-C24 comportant au moins une fonction acide carboxylique, sélectionnés parmi les ligands comportant une chaîne linéaire alkyl sans insaturation, et les ligands comportant des chaînes carbonées comportant au moins une insaturation ;
- les ligands aromatiques et les ligands hétéroaromatiques en C5-C24, comportant au moins une fonction acide carboxylique, de préférence le di-, tri- ou tétracarboxylate de benzyle ou de naphtyle, et lesdits ligands aromatiques, ou hétéroaromatiques, portant éventuellement sur au moins un noyau aromatique un groupement sélectionné parmi -NH2, -OH, -CH3, -OCH3, -NO2, -CF3, -COOH, -SO3H, -SH ; ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) disperser dans de l’eau une molécule de ligand chélatant poly denté, et au moins un sel métallique, de préférence choisi parmi les sels de sulfate métallique et les sels de chlorate métallique, de préférence un sel de sulfate d’aluminium ; b) chauffer éventuellement la dispersion obtenue en a) à pression ambiante, et la maintenir à une température de 50 à 150°C, pendant une durée de 10 minutes à 96 heures ; c) laisser revenir à température ambiante, filtrer et laver à l’eau le solide obtenu ; d) sécher le solide obtenu en c) ; e) disperser sous agitation le solide obtenu en d) dans une solution comprenant du DMSO pendant une durée de 30 minutes à 15 heures, à une température inférieure ou égale à 150°C.
[Revendication 2] Procédé de préparation selon la revendication 1 , dans lequel le centre métallique comprend au moins un métal sélectionné parmi Cu, Zn, Ca, Mg, Ti, Zr, In, Ga, V, Cr, Mn, Fe et Al, de préférence le métal est un ion métallique sélectionné parmi au moins un ion métallique de Fe, Al, Cr et V.
[Revendication 3] Procédé de préparation selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le MOF préparé selon le procédé de l’invention est sélectionné parmi un MIL-53, un MIL-68, un MIL-69, un MIL-101, un MIP-206, et un DUT-7.
[Revendication 4] Procédé de préparation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le MOF est sélectionné dans la classe des MIL-53 comprenant un ion métallique au degré d’oxydation +3 d’un métal choisi parmi Cr, Al, Fe, V, Ga et In, et le ligand aromatique est de l’acide benzène- 1 ,4-dicarboxylique ou un de ses dérivés.
[Revendication 5] Procédé de préparation selon la revendication 4, dans lequel le dérivé de l’acide 1 ,4-benzodicarboxylique est de l’acide 1,4-benzodicarboxylique substitué sur le noyau aromatique par au moins un groupement choisi parmi : -NH2, -OH et -NO2.
[Revendication 6] Procédé de préparation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le sulfate métallique mis en œuvre à l’étape a) est de l’A12(SO4)3.16H2O, et de préférence de l’urée est ajoutée à la dispersion à l’étape a).
[Revendication 7] Procédé de préparation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le chlorate métallique mis en œuvre à l’étape a) est du FcCL.ôFLO.
[Revendication 8] Procédé de préparation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape b) est maintenue pendant 8h et 48 heures ; et à l’étape e) la dispersion est chauffée à une température inférieure ou égale à 130°C pendant 1 à 4h, avec une agitation mécanique.
[Revendication 9] MOF de la classe des MIL-53, choisi parmi le MIL-53(A1), le MIL-53(A1)-NH2, le MIL-53(A1)-NO2, MIL-53(A1)-OH, le MIL-53(Fe) et le MIL-53(Cr), préparé suivant le procédé tel que décrit aux revendications précédentes sans utilisation de DMF, et ne faisant pas intervenir d’étape de calcination.
[Revendication 10] Utilisation d’un MOF selon la revendication 9, pour la séparation ; la capture du CO2 ; la séparation des aromatiques, des aliphatiques ; la capture des composés organo-volatils ; la purification eau-alcools ; la désalinisation ; les matériaux pour batteries ; la catalyse telle que la déhydrogénation des alcools ; 1’ adsorption et la conversion de petites molécules ; la gestion de la chaleur perdue par exemple par compensation adsorption-flexibilité ; la détection ; et la séparation ou le stockage/relargage contrôlé par stimuli tel que la pression, le courant électrique, l’irradiation micro-ondes, et le champ magnétique.
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