Metal-Organic Frameworks (MOFs) - Fabrication, propriétés et applications

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 m ² .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.