Effet Joule in situ pour la régénération thermique des MOFs : étude du graphite et du composite MOF/graphite à basse tension (type PV)

La quête de matériaux efficaces pour la capture du CO2 consiste un enjeu majeur face aux défis environnementaux et énergétiques actuels. Les MOFs (Metal-Organic Framework), matériaux poreux émergents reconnus se distinguent par leurs capacités d’adsorption du CO2, pouvant atteindre jusqu’à 60% de plus que celles des charbons actifs ou des zéolithes. Cependant, ces performances élevées s’accompagnent d’effets thermiques (adsorption exothermique, désorption endothermique) responsables d’une réduction pouvant atteindre 50% de leurs capacités d’adsorption. De plus, le procédé classique de régénération par Temperature Swing Adsorption (TSA) nécessite une énergie importante pour les températures de désorption du CO2. Dans le cadre de l’ANR TEM-MOF, une approche innovante a été développée pour maîtriser les effets thermiques et réduire la demande énergétique de régénération : combiner les MOFs avec du graphite afin de former des composites conducteurs. Les MOFs à base d’acide gallique ont été synthétisés à l’Institut des Matériaux de Nantes - IMN, et les composites MOF/graphite (80% MOF, 15% graphite naturel expansé ENG, 5% liant PAA) ont été élaborés au Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes - LTEN. Le chauffage par effet Joule in situ a été testé sur des échantillons de graphite à différentes masses volumiques (52, 100 et 184 kg/m3) et pour plusieurs intensités de courant allant de 5 à 12,5 A. Les résultats montrent que la masse volumique du graphite influence l’anisotropie thermique et électrique du matériau : à faible masse volumique, le comportement est quasi isotrope, tandis qu’une densité élevée induit une anisotropie marquée. De plus, la masse volumique et le courant influencent significativement la montée en température, ainsi que la résistance électrique du matériau, qui diminue avec la température en raison de l’augmentation de sa conductivité électrique. Les essais sur le composite MOF/graphite initialement à température ambiante ont permis d’atteindre la température requise pour la désorption du CO2 (~100degC), pendant environ 150 s sous une puissance moyenne de 20 W. Des tensions faibles de 2 V pour le graphite seul et 5 V pour le composite, démontrent la faisabilité d’un chauffage électrothermique à basse tension continue compatible avec des sources photovoltaïques, type PV. Ces résultats confirment la pertinence du chauffage par effet Joule in situ pour la régénération thermique des MOFs et ouvrent la voie à des systèmes de capture et de désorption du CO2 plus efficaces et énergétiquement sobres. En effet, le graphite joue un double rôle : il agit comme un support mécanique pour le MOF (initialement en poudre) et permet la régénération électrothermique in situ grâce à sa conductivité électrique.

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