Capture du CO2 dans les matériaux poreux : étude innovante par RMN 17O // CO2 capture in porous materials: innovative 17O NMR study

La teneur en CO2 de l'atmosphère joue un rôle majeur dans le changement climatique, en contribuant à l'augmentation des températures moyennes, à la réduction de la couverture neigeuse et à l'acidification des océans. Pour contrer ces effets, il est crucial de capturer le CO2 directement à la source, par exemple dans les installations industrielles. Les composés de type MOF (metal-organic frameworks) émergent comme des adsorbants prometteurs grâce à leurs surfaces spécifiques élevées et à leurs structures modulables, idéales pour l'adsorption et le stockage du gaz. Mais les mécanismes d'adsorption du CO2 dans les MOF ainsi que les modifications structurales liées à cette adsorption sont encore mal comprises.

Dans ce projet, nous proposons d'appliquer des outils analytiques avancés comme la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide afin de caractériser les défauts présents dans les MOF en présence de gaz, mais également pour mettre en évidence les interactions entre le CO2 et les MOF. De plus, bien que le noyau 13C soit couramment utilisé, le noyau 17O offre des avantages uniques pour la spectroscopie RMN. Ce noyau a encore un potentiel inexploité en raison de sa faible abondance naturelle (0,04 % contre 1,1 % pour le 13C) et de l'élargissement des signaux dû à l'interaction quadripolaire (spin I=5/2). Pour contourner ces difficultés, lors de cette thèse nous proposons d'enrichir les composés en 17O mais également d'utiliser des spectromètres RMN à très hauts champs pour augmenter la résolution. Cette approche pourrait transformer notre compréhension de l'adsorption du CO2 dans les MOF.

L'étudiant.e sélectionné.e sera chargé.e de :
• Synthétiser les MOF
• Réaliser l'insertion de CO2
• Caractériser les structures par diffraction des rayons X
• Réaliser des expériences RMN 17O à très hauts champs

Le.la candidat.e bénéficiera du soutien d'experts dans la synthèse et la caractérisation des MOF, avec accès aux équipements de pointe de l'Université de Lille, notamment des spectromètres RMN à très hauts champs (800 MHz, 900 MHz et 1200 MHz). Ce projet est réalisé en collaboration avec les équipes du Dr. D. Laurencin (ICGM, Montpellier) et du Pr. C. Gervais (LCMCP, Paris).
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The CO2 content of the atmosphere plays a major role in climate change, contributing to rising average temperatures, reduced snow cover and ocean acidification. To counter these effects, it is crucial to capture CO2 directly at source, for example in industrial plants. Metal-organic frameworks (MOFs) are emerging as promising adsorbents thanks to their high specific surface areas and scalable structures, ideal for gas adsorption and storage. But the mechanisms of CO2 adsorption in MOFs, and the structural modifications associated with this adsorption, are still poorly understood.

In this project, we propose to apply advanced analytical tools such as solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) to characterize defects present in MOFs in the presence of gas, but also to highlight interactions between CO2 and MOFs. In addition, although the 13C nucleus is commonly used, the 17O nucleus offers unique advantages for NMR spectroscopy. This nucleus still has untapped potential due to its low natural abundance (0.04% vs. 1.1% for 13C) and signal broadening due to quadrupole interaction (spin I=5/2). To overcome these difficulties, in this thesis we propose not only to enrich the compounds in 17O, but also to use very high field NMR spectrometers to increase resolution. This approach could transform our understanding of CO2 adsorption in MOFs.

The selected student will be responsible for :
- Synthesize MOFs
- CO2 insertion
- Characterize structures by X-ray diffraction
- Perform high-field 17O NMR experiments

The candidate will benefit from the support of experts in MOF synthesis and characterization, with access to state-of-the-art equipment at the University of Lille, including ultra-high-field NMR spectrometers (800 MHz, 900 MHz and 1200 MHz). This project is being carried out in collaboration with the teams of Dr. D. Laurencin (ICGM, Montpellier) and Prof. C. Gervais (LCMCP, Paris).
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Début de la thèse : 01/10/2025

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Centrale Lille Institut

104 Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement

Le.la candidat.e devra avoir complété un M2 en chimie des matériaux, une expérience en RMN sera appréciée.
The candidate must have completed an M2 in materials chemistry, and experience in NMR is appreciated.