En ce qui concerne la caractérisation des matériaux, la microscopie optique est utilisée pour observer les distributions de la taille des gouttelettes dans les émulsions. Les mesures d'adsorption-désorption d'azote (BET) fournissent des données sur la surface spécifique. La diffraction des rayons X (XRD) évalue la cristallinité du MIL-96(Al) après son incorporation dans la matrice polymère. La spectroscopie infrarouge confirme la rétention des groupes fonctionnels. Les propriétés mécaniques sont évaluées en appliquant des charges croissantes aux monolithes jusqu'à l'observation d'une déformation. Les propriétés hydrodynamiques sont évaluées par des expériences d'écoulement de Darcy, mesurant la chute de pression en fonction du débit.
Le matériau de MOF obtenu à partir de la dissolution de déchets de batteries est basé sur l'aluminium provenant des contacteurs des batteries. Même en présence de divers métaux après la dissolution des batteries, un précipité sélectif (MIL-96(Al)) est obtenu en ajoutant l'agent de précipitation à la solution.
L'émulsion de Pickering est un type d'émulsion stabilisée par des particules solides adsorbées aux interfaces liquide-liquide. Dans ce cas, les particules de MOF, grâce à leur nature amphiphile et à leur activité interfaciale, peuvent s'adsorber efficacement aux interfaces huile-eau et former des émulsions stables en eau dans l'huile (W/O) ou en huile dans l'eau (O/W).
Les émulsions sont formulées en dispersant d'abord des particules de MIL-96(Al) dans une phase aqueuse d'eau ultrapure. La quantité de MOF dissoute dans la solution dépend fortement du volume des phases liquides utilisées dans l'émulsion. La quantité de MOF utilisée pour l'émulsion de Pickering est précisée en %p, défini comme le rapport entre la masse totale de MOF et la masse totale de liquide utilisée dans l'émulsion. La quantité de MOF (WMOF) est donc définie par la formule suivante :

où :
Voil = volume de la phase organique (paraffine)
Vwater = volume de la phase aqueuse
ρoil = densité de la phase organique (paraffine)
ρwater = densité de la phase aqueuse
mMOF = masse de MIL-96(Al)
Initialement, 375 mg de MIL-96(Al) ont été utilisés pour la préparation du polyHIPE. Des expériences ultérieures montrent qu'une montée en échelle est possible. La quantité de MOF ajoutée peut être augmentée d'un facteur 10 et produire tout de même des monolithes stables.
Les émulsions de Pickering formées avec le MIL-96(Al) présentent des caractéristiques conformes aux observations antérieures. Elles produisent des émulsions huile/eau stables dans lesquelles les gouttelettes sont fortement compactées en raison de la fraction élevée de phase interne. Dans les formulations contenant du PVA et des précurseurs polymères, la taille des gouttelettes est nettement réduite, avec des diamètres moyens d'environ 20 µm, contre 55 à 75 µm pour les émulsions plus simples ne contenant pas de PVA (Figure 1).
Cette réduction est attribuée à l'augmentation de la viscosité de la phase aqueuse et à l'adsorption de PVA à l'interface huile-eau. Des mesures rhéologiques révèlent un comportement pseudoplastique pour tous les échantillons. La présence de précurseurs polymériques augmente la viscosité et introduit une contrainte seuil plus élevée, en accord avec la formation d'un réseau dense de gouttelettes18. Ces signatures rhéologiques indiquent que les émulsions se comportent comme des gels et conserveraient leur structure durant la polymérisation. L'augmentation de la concentration de PVA de 0 à 0,5 % en masse conduit à des pores plus petits mais à une plus grande interconnexion des pores. Les tailles de pores diminuent d'un facteur 5 dans cette gamme, tandis que la densité des fenêtres augmente significativement19. La concentration de particules de MOF a eu un effet minimal sur la taille des pores, mais a influencé le dépôt des MOF à la surface des pores. Une teneur plus élevée en MOF entraîne un plus grand nombre de particules de MOF intégrées dans les parois de polyacrylamide ou exposées en surface, affectant ainsi la surface spécifique du composite (Figure 2).
Les valeurs de surface spécifique varient de faibles m2.g-1 pour les matériaux ne contenant pas de PVA à des valeurs plus élevées de m2.g-1 pour les échantillons contenant 0,5 % en poids de PVA. L'augmentation de la quantité de PVA améliore l'ouverture du réseau, facilitant l'accès aux surfaces des MOF. Toutefois, l'incorporation dans une matrice polymère réduit inévitablement la microporosité par rapport au MOF à l'état pur (650 m2.g-1). Des pertes de 74 % à 94 % sont observées selon la formulation. Ces résultats sont conformes à la littérature, dans laquelle la mise en forme des MOF sous forme de monolithe entraîne fréquemment des pertes importantes de surface spécifique en raison de l'occlusion au sein des matrices polymères20.
Les diffractogrammes de XRD conservent les pics caractéristiques du MIL-96(Al), ce qui démontre que ni l'émulsification ni la polymérisation ne compromettent l'intégrité de la structure. Les pics de moindre intensité observés pour les échantillons à faible teneur en MOF sont attribués à une accessibilité réduite du MOF plutôt qu'à une dégradation structurale. Les spectres FTIR confirment la présence des groupes fonctionnels du MIL-96, en particulier les bandes d'étirement des carboxylates, indicatives d'une coordination métal-ligand intacte.
Le comportement hydrodynamique est fortement influencé par la teneur en PVA. Les expériences d'écoulement de Darcy montrent que la chute de pression augmente avec le débit pour tous les échantillons, ce qui est conforme à des géométries de pores tortueuses21,22. Le monolithe dépourvu de PVA présente des chutes de pression nettement plus élevées en raison d'une faible interconnexion.
En revanche, les monolites contenant du PVA présentent un plateau dans la chute de pression à faibles débits, indiquant un écoulement non entravé à travers des pores interconnectés23. Une vitesse critique de Darcy est identifiée pour chaque formulation, marquant la transition entre les régimes de basse pression et de pression croissante24. Une teneur plus élevée en PVA est corrélée à des vitesses critiques plus élevées, en raison d'une meilleure ouverture des pores (Figure 3).
Une autre stratégie visant à améliorer l'accessibilité des MOF pendant le façonnage est également présentée. Cette recherche propose une nouvelle méthode basée sur la stabilisation d'une émulsion eau-paraffine de type Pickering à l'aide d'un MOF fluoré à base de Zr, combinée à la stratégie des polyHIPEs. Après polymérisation et élimination du paraffine, on obtient un monolithe à structure hiérarchique, les particules de MOF étant généralement intégrées dans la paroi polymère, ce qui peut bloquer les pores. L'innovation clé pour éviter ce bouchage des pores consiste à modifier l'équilibre hydrophile/hydrophobe des MOF par adsorption contrôlée de molécules hydrophobes (molécules fluorées). Cette modification induit un déplacement de la position du MOF à l'interface paraffine-eau durant l'émulsification, ce qui entraîne une intégration moindre des particules dans la paroi polymère. Ce procédé permet d'obtenir avec succès des monolithes à structure hiérarchique intégrant des particules de MOF hautement accessibles, adaptées à des procédés en lit fixe (Figure 4).

Figure 1 : Images et micrographies optiques de différentes émulsions de Pickering. (A) Émulsions de Pickering contenant 2,5 % en masse de MIL-96(Al) et différents rapports volumiques de paraffine : de gauche à droite, φv = 0,5, 0,6, 0,7 et 0,8. (B) Émulsions de Pickering avec φv = 0,8 et différentes concentrations de MIL-96(Al) : de gauche à droite, wMOF = 1, 2, 3,5 et 5 % en masse. Micrographies optiques des émulsions contenant 5 % en masse de MIL-96(Al) et des rapports volumiques de paraffine de (C) 0,5, (D) 0,6, (E) 0,7 et (F) 0,8. Cette figure est reproduite avec la permission de Lorignon et al.17. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Isotherme d'adsorption/désorption d'azote de la poudre correspondante de MIL-96(Al), M100/10/0,5, M100/10/0 et M25/10/0,5. Cette figure est reproduite avec la permission de Lorignon et al.15. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Photographie du monolithe M100/10/0,5 vue de face et par en dessous. (A) et images MEB du monolithe M100/10/0,5 à différents grossissements (B–E). Cette figure est reproduite avec la permission de Lorignon et al.15. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Stratégie permettant de rendre les particules de MOF plus accessibles après le procédé de mise en forme. Cette figure est reproduite avec la permission de Lorignon et al.18. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.