Novembre 2017 – Pressure-Induced Polymerization of CO2 in Lithium Carbon Dioxide, JACS, Gilles FRAPPER & Bowen HUANG

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Novembre 2017 – Pressure-Induced Polymerization of CO2 in Lithium Carbon Dioxide, JACS, Gilles FRAPPER & Bowen HUANG 2018-01-22T08:44:13+00:00

La polymérisation du dioxyde de carbone favorisée par le lithium et la pression

Le dioxyde de carbone, espèce triatomique gazeuse à l’état naturel, est une source originale pour l’élaboration de systèmes polymériques constitués de carbone et d’oxygène. La conception de matériaux biosourcés où le dioxyde de carbone serait « piégé » et donc stocké, présente un vif intérêt en Sciences des Matériaux. Cependant, ses liaisons doubles O=C=O lui confèrent une grande stabilité chimique difficile à … déstabiliser, or l’activation de la liaison C=O est primordiale pour établir de nouvelles liaisons carbone-carbone ou/et carbone-oxygène. Est-il possible de transformer ce gaz triatomique en un matériau solide ? Telle est la problématique explorée par deux chercheurs de l’IC2MP (Université de Poitiers et CNRS). Bowen Huang, doctorant, et son directeur de thèse Gilles Frapper, chimistes théoriciens, proposent d’associer le CO2 au lithium sous de très haute pression pour obtenir des « fils infinis » de CO2 stabilisés dans un océan de cations Li+. Leur approche théorique est basée sur des calculs quantiques de l’énergie électronique des systèmes chimiques cristallins réalisés au nouveau centre de calculs SPIN de l’Université de Poitiers et au centre national GENCI. Originalité de cette recherche, la détermination des formes structurales – c’est à dire la position relative des atomes dans une boite  –  est obtenue à l’aide d’un algorithme évolutionnaire basé sur le principe de la sélection naturelle, l’un des concepts clés de la théorie Darwinienne de l’évolution. Partant de structures « parents », cette méthode génère des « enfants », nouvelles structures cristallographiques plus stables. Ainsi, de génération en génération, la structure la plus stable Lix(CO2)y est déterminée pour une pression donnée (de 1 atm à 100 GPa). Ils proposent plusieurs phases cristallines composées de lithium et CO2, de différentes composition , entre autres LiCO2, Li2CO2, représentées ci-dessous :

Ces résultats théoriques montrent qu’il est possible de polymériser le dioxide de carbone par l’ajout de lithium. De plus, les auteurs explorent les propriétés de conduction électrique des matériaux hypothétiques dont l’un pourrait être utilisé comme anode dans les batteries au lithium. Maintenant, ils restent aux expérimentalistes de synthétiser ces matériaux Li-CO2.

Ces travaux ont été sélectionnés en décembre 2017 par la célèbre revue américaine JACS « SPOTLIGH » (référence). Le concepteur et développeur de cette thématique « design in silico de nouveaux matériaux », Gilles Frapper, continue d’explorer cet axe de recherche en étudiant l’association du dioxyde de carbone aux autres éléments alcalins (Na, K, ..) et alcalino-terreux (Mg, Ca, …). Par ailleurs, son groupe chimie théorique explore la conception de matériaux énergétiques à base d’azote susceptibles de libérer de l’énergie et des produits gazeux « inoffensifs » tels que l’azote moléculaire N2.

Références :

PRESSURE-INDUCED POLYMERIZATION OF CO2 IN LITHIUM CARBON DIOXIDE

Journal : J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.7b11123

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CO2 Polymerization Stabilized by Lithium Cation

Dalia Yablon (Ph.D.)

Carbon dioxide seems an unusual target for polymerization into extended networks. But in the area of carbon dioxide capture and storage, the ability to transform molecular CO2 crystals into a condensed extended network poses an elegant yet currently unrealistic process. One path to stabilize such a network is by mixing it with an electropositive s-block element (group 1 and group 2 on the periodic table). In this computational study, Bowen Huang and Gilles Frapper discover a novel CO2 network stabilized by lithium cations in the solid state (DOI: 10.1021/jacs.7b11123).

The researchers use ab initio techniques to probe the potential energy landscape as a function of composition at ambient and high pressures up to 100 GPa, mapping the high-pressure phase diagram of the lithium–CO2 system. They find a variety of stable phases, including novel molecular units and polymeric carbon–oxygen nets in high-pressure lithium–CO2 phases. These results indicate that pressure may induce the polymerization of carbon dioxide in this framework. In addition to possibilities for CO2 sequestration, one of the compounds predicted has potential as an anode material for lithium batteries. Now experimentalists need to get to work on making these compounds.

DOI : 10.1021/jacs.7b11123