Syntheses and characterization of new Zirconium based metal-organic frameworks from carboxylate ligands and investigation of their application in adsorption and detection of water pollutions and CO2, N2 capture and conversion - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Syntheses and characterization of new Zirconium based metal-organic frameworks from carboxylate ligands and investigation of their application in adsorption and detection of water pollutions and CO2, N2 capture and conversion

Synthèse et caractérisation de nouvelles armatures métal-organique à base de zirconium à partir de ligands carboxylates et étude de leur application dans l'adsorption et la détection des pollutions de l'eau et la capture et la conversion du CO2 et N2

Résumé

This thesis investigates the synthesis and characterization of Zr-based metal-organic frameworks (MOFs) and their applications in water treatment and solar fuel production. MOFs are porous materials composed of metal ions and organic linkers that exhibit tuneable structures and functionalities. These properties make them suitable for various applications, such as gas storage, catalysis, sensing, drug delivery, etc.Water treatment is the process of removing contaminants from water to make it safe and clean for human use. One of the main contaminants in water are dyes, which are widely used in the textile, paper, and leather industries. Dye pollution can cause serious problems for aquatic life, human health, and aesthetic quality of water. To remove dyes from water, we synthesized a new Zr-MOF called TMU-66, which has a hollow sphere shape and an N-oxide functional group. TMU-66 can efficiently and selectively adsorb dye molecules through various interactions, such as electrostatic attraction, π-π stacking, and coordination bonding. TMU-66 exhibited and adsorption capacity of 472 mg/g for Congo red dye at pH 6.8 and 25 °C, one of the highest values achieved for MOF-based adsorbents so far.Solar fuel production is the process of converting solar energy into chemical fuels that can be stored and used later. One of the most promising fuels is ammonia (NH3), which can be produced from nitrogen (N2) and water (H2O) using sunlight as the energy source. This process is called N2 photoreduction or photocatalytic nitrogen fixation. However, this process is challenging because N2 is very stable and difficult to break apart. We modified another Zr-MOF called MOF-808 by adding a nitro group to its linker. The modified framework is able to absorb visible light and transfer electrons to N2 molecules. We also combined MOF-808/NIP with another material called g-C3N4, which can enhance light absorption and electron transfer. The resulting composite, MOF-808/NIP@g-C3N4, can produce up to 490 μmol ammonia per gram of composite per hour under visible light and ambient conditions.In summary, the objectives of this thesis work were to investigate the potential of MOFs for two distinct applications, utilizing a conceptual design approach that incorporated bandgap engineering, structure modulation, and heterojunction composite materials. The findings revealed that MOFs can absorb water impurities and function as photocatalysts to achieve ammonia production through solar-powered N2 photoreduction. This breakthrough has the potential to foster the creation of more effective and environmentally conscious technologies that tackle worldwide water pollution and ammonia production issues. These technologies are crucial in safeguarding our planet and guaranteeing a stable future.
Cette thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de cadres métallo-organiques (MOF) à base de Zr et leurs applications dans le traitement de l'eau et la production de carburant solaire. Les MOF sont des matériaux poreux composés d'ions métalliques et d'éléments de liaison organiques qui présentent des structures et des fonctionnalités ajustables. Ces propriétés les rendent aptes pour diverses applications, telles que le stockage de gaz, la catalyse, la détection, l'administration de médicaments, etc.Le traitement de l'eau consiste à éliminer les contaminants de l'eau afin de la rendre propre et sans danger pour l'homme. L'un des principaux contaminants de l'eau sont les colorants, largement utilisé dans les industries du textile, du papier et du cuir. La pollution par les colorants peut entraîner de graves problèmes pour la vie aquatique, la santé humaine et la qualité esthétique de l'eau. Pour éliminer les colorants de l'eau, nous avons synthétisé un nouveau Zr-MOF appelé TMU-66, qui a une forme de sphère creuse et un groupe fonctionnel N-oxyde. TMU-66 peut adsorber efficacement et sélectivement les molécules de colorant par le biais de diverses interactions, telles que les interactions électrostatiques, l'empilement π-π et la liaison de coordination. TMU-66 a présenté une capacité d'adsorption de 472 mg/g pour le colorant rouge Congo à un pH de 6,8 et à 25 °C, une des valeurs les plus élevées obtenues jusqu'à présent pour des adsorbants à base de MOF.La production de combustibles solaires est le processus de conversion de l'énergie solaire en combustibles chimiques qui peuvent être stockés et utilisés ultérieurement. L'un des carburants les plus prometteurs est l'ammoniac (NH3), qui peut être produit à partir d'azote (N2) et d'eau (H2O) en utilisant l'irradiation solaire comme source d'énergie. Ce processus est appelé photoréduction de N2 ou fixation photocatalytique de l'azote. Cependant, ce processus est difficile car N2 est très stable et difficile à décomposer. Nous avons modifié un autre Zr-MOF, appelé MOF-808, en introduisant un groupe nitro dans le linker organique. Cette structure modifiée peut absorber la lumière visible et transférer des électrons aux molécules de N2. Nous avons également combiné le MOF-808/NIP avec un autre matériau, le g-C3N4, pour améliorer l'absorption de la lumière et le transfert d'électrons. Le composite ainsi obtenue, MOF-808/NIP@g-C3N4, peut produire jusqu'à 490 μmol d'ammoniac par gramme de composite et par heure sous irradiation visible.En résumé, les objectifs de ce travail de thèse étaient d'étudier le potentiel des MOF pour deux applications distinctes, en utilisant une approche conceptuelle qui intègre l'ingénierie de la bande interdite, la modulation de la structure et les matériaux composites à hétérojonction. Les résultats ont révélé que les MOF peuvent adsorber les impuretés de l'eau et fonctionner comme des photocatalyseurs pour produire de l'ammoniac grâce à la photoréduction de N2 sous irradiation visible. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives très intéressantes dans le domaine de traitement de l'eau polluée et de production d'ammoniac. Ces technologies sont cruciales pour sauvegarder notre planète et garantir un avenir stable.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04586536 , version 1 (24-05-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04586536 , version 1

Citer

Nasrin Shokouhfar. Syntheses and characterization of new Zirconium based metal-organic frameworks from carboxylate ligands and investigation of their application in adsorption and detection of water pollutions and CO2, N2 capture and conversion. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université de Lille; Tarbiat Modares University (Téhéran, Iran), 2023. English. ⟨NNT : 2023ULILN058⟩. ⟨tel-04586536⟩
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