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RÉSUMÉ
Les Metal-Organic Frameworks (MOFs) sont des solides hybrides (organique/inorganique) micro- ou méso-poreux ordonnés. L’engouement scientifique et technologique pour cette famille de composés ne cesse de croître au vu de leur grande diversité chimique et structurale, et de leurs nombreuses applications potentielles. Cet article propose un aperçu global sur les MOFs, notamment sur leurs modes de synthèses et les méthodes de caractérisations, leurs structures, leurs propriétés aisément modulables ainsi que certains exemples représentatifs d’applications potentielles. De plus, leur mise à l’échelle à moindre coût par des procédés respectueux de l’environnement, ainsi que leur mise en forme sont discutées.
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Metal-Organic Frameworks (MOFs) are hybrid (organic/inorganic) micro- or meso-porous ordered solids. The scientific and technological interest for this family of compounds continues to grow thanks to their large chemical and structural diversity and their tremendous potential applications. This article offers a general overview on MOFs throughout their methods of synthesis and main characterization techniques, heir tunable properties as well as representative fields of applications. Moreover, their production at larger scale with low energetic cost using environmentally friendly processes and green resources, together with their shaping techniques, is also discussed.
Auteur(s)
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Farid NOUAR : Ingénieur de Recherche au CNRS - Institut des Matériaux Poreux de Paris, École Normale Supérieure, ESPCI Paris, CNRS, Université PSL, 75005 Paris, France
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Georges MOUCHAHAM : Chargé de Recherche au CNRS - Institut des Matériaux Poreux de Paris, École Normale Supérieure, ESPCI Paris, CNRS, Université PSL, 75005 Paris, France
-
Christian SERRE : Directeur de Recherche au CNRS - Institut des Matériaux Poreux de Paris, École Normale Supérieure, ESPCI Paris, CNRS, Université PSL, 75005 Paris, France
INTRODUCTION
Les solides de type Metal-Organic Frameworks (MOFs) ou polymères de coordination sont une famille de composés hybrides poreux ordonnés qui suscitent un engouement académique et industriel croissant. Découverts à la fin des années 1990, le nombre de publications concernant les MOFs a augmenté de manière exponentielle depuis le début des années 2000. La recherche scientifique s’est concentrée initialement sur la découverte de nouvelles structures cristallines et poreuses d’intérêt sur le plan applicatif dans des domaines en lien avec l’environnement, l’énergie ou encore la santé (stockage, séparation de gaz, catalyse, détection, transfert de chaleur, production d’eau, délivrance contrôlée de principes actifs, etc.). Ces solides présentent, en effet, une structure ordonnée très versatile grâce à : (i) la possibilité d’ajuster les propriétés physico-chimiques de la charpente de par le choix des métaux constitutifs, ainsi que la nature du ligand organique, sa fonctionnalisation ou l’utilisation de ligands étendus ; et (ii) la large gamme de tailles (3 à 70 Å), de formes et d'organisation de pores (cages à tunnels, connectés ou isolés) offrant des surfaces spécifiques accessibles parfois très élevées (de quelques centaines à plus de 7 000 m2.g−1), etc.
Bien que l’intérêt académique en termes de propriétés et d’applications potentielles associées soit grand, la fabrication de MOFs stables chimiquement, thermiquement et mécaniquement en conditions réelles d’utilisation (par exemple, en présence d’humidité), capables de conserver la propriété attendue pour une application donnée, n’est pas si évident. Si le coût de synthèse (précurseurs) de ces matériaux reste encore relativement assez élevé, les efforts grandissants de la communauté (brevets, start-ups, projets de démonstrations) témoignent d’une transition progressive vers une commercialisation et une intégration au niveau industriel des MOFs. Cet article a pour objectif de donner au lecteur une vision certes non exhaustive, mais globale sur les MOFs. Les conditions de fabrication, de mise en forme et de caractérisation sont exposées de manière à permettre de comprendre les paramètres fondamentaux pour produire des solides poreux robustes, stables et ouverts à diverses applications. Les critères qui permettent une fabrication et une mise à l’échelle à moindre coût tout en respectant le plus possible, l’environnement sont également discutés.
Le lecteur trouvera en fin d'article un sommaire des termes utilisés.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
applications | MOFs | porous solids | synthesis
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Que sont les Metal-Organic Frameworks ?
En anglais
8. Glossaire
Metal-Organic Frameworks (MOFs)
Également dénommés polymères de coordination poreux (porous coordination polymers), solides hybrides poreux composés de parties organiques et inorganiques reliées entre elles par des liaisons de coordination. De par la nature de ces liaisons, la construction de ces matériaux donne naissance à des réseaux cristallins.
liaison de coordination ; coordination bond
Liaison chimique ionocovalente pour laquelle les deux électrons de la liaison proviennent du même atome. Les liaisons de coordination présentent chez les MOFs comprennent un ion métallique ou un acide de Lewis (accepteur d’électrons), et un atome ou un ion d’une molécule organique ou une base de Lewis (donneur d’électrons).
ligand ; ligand
Dans le cas des MOFs, molécule possédant des atomes ou des ions de fonctions chimiques permettant de donner des électrons aux ions métalliques pour former une ou plusieurs liaisons de coordination.
topologie ; topology
Se réfère à l’étude géométrique des connectivités entre les différentes briques mises en jeu dans les solides. Elle permet de décrire l’arrangement du réseau des MOFs, c'est un outil utile pour la conception et le classement de ces matériaux.
isostructures ; isostructures
Structures possédant les mêmes (ou très proches) symétries et paramètres de maille.
isoréticulaire ; isoreticular
Solides de structures différentes mais possédant le même type de réseau (net). Deux structures peuvent être isoréticulaires si elles sont construites avec des ligands de tailles différentes mais possédant le même type de connectivité.
topicité ; topicity
Décrit le nombre de fonctions complexantes que possède le ligand organique.
site métallique insaturé ; coordinatively unsaturated site (CUS) ou open metal site (OMS)
Site vacant dans la sphère de coordination de l’ion métallique souvent généré par le départ (par chauffage ou application d’un vide) d’un ligand terminal.
rendement espace-temps ; space-time yield (STY)
Représente la quantité de produit obtenu par rapport au volume du réacteur utilisé lors de la réaction et le temps nécessaire pour obtenir cette quantité...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LUDI (A.), GUEDEL (H.U.), RUEGG (M.) - Structural chemistry of Prussian blue analogs. Single-crystal study of manganese (II) hexacyanocobaltate (III), Mn3[Co(DcN)6]2.xH2O. - Inorg. Chem., 9, p. 2224-2227 (1970).
-
(2) - HOSKINS (B.F.), ROBSON (R.) - Infinite polymeric frameworks consisting of three dimensionally linked rod-like segments. - J. Am. Chem. Soc., 111, p. 5962-5964 (1989).
-
(3) - HOSKINS (B.F.), ROBSON (R.J.) - Design and construction of a new class of scaffolding-like materials comprising infinite polymeric frameworks of 3D-linked molecular rods. A reappraisal of the zinc cyanide and cadmium cyanide structures and the synthesis and structure of the diamond-related frameworks [N(CH3)4][CuIZnII(CN)4] and CuI[4,4′,4′′,4'′′-tetracyanotetraphenylmethane] BF4.xC6H5NO2 . - Am. Chem. Soc., 112, p. 1546-1954 (1990).
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(4) - EDDAOUDI (M.), LI (H.), REINEKE (T.M.), FEHR (M.), KELLEY (D.G.), GROY (T.L.), YAGHI (O.M.) - Design and synthesis of metal-carboxylate frameworks with permanent microporosity. - Top. Catal., 9, p. 105-111 (1999).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
IUPAC (The International Union of Pure and Applied Chemistry) : Norme mondiale de nomenclature et terminologie chimique.
HAUT DE PAGE
REACH : Regulation (EC) N° 1907/2006 of the parliament and of the council on the Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals.
HAUT DE PAGE
Process for preparing porous Metal-Organic Frameworks based on aluminum fumarate (2012) US2012/0082864A1
Stable spherical, porous Metal-Organic Frameworks shaped bodies for gas sorption and gas separation (2014) US2014/0213832A1
HAUT DE PAGE4.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Sigma Aldrich Chimie S.a.r.l
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