Molecular Simulation of Fluid Adsorption in Flexible Nanoporous
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Préparée à Chimie ParisTech Simulation moleculaire multi-échelles de l’adsorption de fluides dans les matériaux nanoporeux flexibles Molecular simulation of fluid adsorption in flexible nanoporous materials at multiple scales Soutenue par Composition du jury : Guillaume FRAUX Caroline MELLOT-DRAZNIEKS Le 25 juin 2019 Directrice de Recherche, Collège de France Présidente Sofía CALERO Professeure, Universidad Pablo de Olavide Rapportrice o École doctorale n 388 Paul FLEURAT-LESSARD Chimie Physique et Professeur, Université de Bourgogne Rapporteur Chimie Analytique de Renaud DENOYEL Paris Centre Directeur de Recherche, Aix-Marseille Université Examinateur Alain FUCHS Professeur, PSL Université Examinateur Spécialité Chimie Physique François-Xavier COUDERT Chargé de Recherche, Chimie ParisTech Directeur de thèse REMERCIEMENTS En premier lieu, je voudrais adresser ici mes plus vifs remerciements à Soa Calero et Paul Fleurat-Lessart pour avoir accepté d’être les rapporteurs de ce manuscrit, et pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail. Je remercie aussi Caroline Mellot-Draznieks, Renaud Denoyel, et Alain Fuchs qui m’ont fait l’honneur de faire partie de mon jury de thèse. J’ai eu la chance d’eectuer ma thèse sous la direction de François-Xavier Coudert, qui m’a beaucoup apporté tant sur le plan scientique qu’humain. Je souhaite lui exprimer ma gratitude pour tout ce que j’ai pu apprendre à son contact, et pour son immense disponibilité. Il m’a non seulement aidé à acquérir des compétences scientique variée, allant de la physique statistique à la chimie en passant par la simulation moléculaire et la programmation; mais aussi une compréhension du monde de la recherche et du travail de chercheur. Je veux aussi remercier Anne Boutin et Alain Fuchs pour le temps qu’ils ont consacré à mon travail, leurs conseils et nos discussions. Je leur dois un intérêt fort pour la thermodynamique et les méthodes Monte Carlo. Je remercie aussi tous ceux avec qui j’ai eu l’occasion de travailler à Chimie ParisTech, qui ont fait du labo un lieu de travail agréable et chaleureux. Merci à Adrian, Clarisse, Emmanuel, Fabien, Félix, Miguel, Siwar, Srinidhi, Thibaud et Wenke pour toutes nos discussions, toujours enrichissantes. Merci en particulier à Jack et Jean-Mathieu pour leur bonne humeur; Romain pour son ouverture sur l’industrie qui m’a beaucoup apporté; Daniela pour ses conseils et ses qualités humaines, au labo comme en conférences; Johannes et Laura pour nos collaborations et discussions scientiques. La thèse ça n’avance pas toujours comme on le voudrait, et il est important d’avoir un lieux où se vider la thèse pour mieux y revenir. Le groupe SGDF de Montreuil m’a permis de passer du temps au vert avec des jeunes formidables. Je voudrais remerciés particulièrement Patricia, Florence, les deux Laurent et Anne-Cécile pour leur soutien et leurs encouragements. Merci aussi à Nathanaël, Julia, Ophélie, Antonin et Elsa : vous avez été de super co-chefs! De même, de grands mercis au club de musique Folk de l’ENS, et en particulier à Martin, Chloé, Jeremy, Héloïse et Olivier. Je souhaite aussi remercier ma famille : mes frères et sœurs Béatrice, Paul, David et Matthieu; ma grand-mère qui m’a apporté une éthique de vie et des racines; et surtout mes parents. Sans leur soutien et leurs encouragements constants, je ne serais pas là aujourd’hui. Enn, je dois énormément à Margot, qui m’a soutenue pendant cette thèse, et a su supporter mon humour douteux et mes couchers tardifs. Merci d’apporter dans ma vie joie et bonne humeur, discussions insensée et profondes, expériences culinaires et voyages au bout du monde! TABLEOFCONTENTS General introduction 1 1 Adsorption and intrusion in nanoporous materials 5 1.1 Nanoporous materials . 5 1.1.1 Zeolites . 6 1.1.2 Metal–Organic Frameworks. 8 1.1.3 Zeolitic Imidazolate Frameworks . 10 1.1.4 Structural exibility. 12 1.1.5 Industrial applications . 13 1.2 Adsorption and intrusion . 16 1.2.1 Adsorption of gases. 16 1.2.2 Intrusion of liquids . 17 1.2.3 Coupling adsorption and deformations. 21 2 Macroscopic studies 23 2.1 Classical thermodynamics . 24 2.1.1 First law of thermodynamics . 24 2.1.2 Second law of thermodynamics . 25 2.1.3 Thermodynamic ensembles . 25 2.1.4 Ensembles for adsorption processes . 26 2.2 Macroscopic calculations for gas separation in exible materials 28 2.2.1 Ideal Adsorbed Solution Theory . 29 2.2.2 IAST and exible frameworks . 30 2.2.3 Osmotic Framework Adsorbed Solution Theory . 32 2.2.4 Comparing IAST and OFAST . 34 Conclusions . 41 3 Molecular simulations 43 3.1 Statistical thermodynamics . 44 3.1.1 Maxwell-Boltzmann statistics . 44 3.1.2 Thermodynamic ensembles . 47 3.2 Computing energy of a molecular system. 48 3.2.1 Quantum calculations . 48 3.2.2 Classical force elds . 48 3.2.3 System size and periodic boundary conditions . 51 3.3 Metropolis Monte Carlo . 53 3.3.1 The basic algorithm. 53 3.3.2 Monte Carlo moves . 55 3.3.3 Monte Carlo caveats . 57 3.4 Molecular dynamics . 58 3.4.1 Integration schemes . 59 3.4.2 Sampling other ensembles . 60 3.4.3 Molecular dynamics caveats. 64 3.5 Free energy methods . 65 3.5.1 Umbrella sampling . 66 4 First Principles simulations 69 4.1 From Schrödinger to Density Functional Theory . 70 4.1.1 The Schrödinger equation . 70 4.1.2 Density Functional Theory . 71 4.1.3 Exchange, correlation, and dispersion . 73 4.1.4 Ab initio molecular dynamics . 74 4.2 Adsorption of N2 in ZIF-8 and its derivatives . 75 4.2.1 ZIF-8 and its cousins . 75 4.2.2 Deformation under adsorption. 78 4.2.3 Changes in the adsorbed phase . 80 4.2.4 Mechanism of nitrogen adsorption in ZIF-8 . 82 4.3 Classical force elds from ab initio data . 83 4.3.1 Fitting a force eld . 83 4.3.2 Systematic parametrization of force elds. 84 4.3.3 Validating the generated force-elds . 85 Conclusions . 88 5 Classical simulations 91 5.1 Intrusion of electrolytes in ZIF-8 . 92 5.1.1 Structuration of the liquid . 94 5.1.2 Dynamics under connement . 98 5.1.3 Deformations of the framework . 101 5.1.4 Elastic properties. 102 5.1.5 Thermodynamics of the intrusion . 104 5.1.6 Thermodynamics of ion entry into the nanopores. 105 Conclusion . 108 5.2 Adsorption of water in imogolites . 109 5.2.1 Simulation methods. 110 5.2.2 Water adsorption. 112 5.2.3 Structure of conned water . 112 5.2.4 Hydrogen bonding patterns . 116 5.2.5 Water dynamics . 118 Conclusions . 121 6 Implementation of molecular simulation software 123 6.1 Domino: extensible molecular simulations library . 124 6.1.1 Goals and architecture. 124 6.1.2 Challenges encountered . 127 6.2 Hybrid Monte Carlo . 131 6.2.1 Mixing molecular dynamics and Monte Carlo . 132 6.2.2 Hybrid simulations in osmotic ensemble . 135 6.3 Computation of electrostatic energy in classical simulations . 137 6.3.1 The problem . 137 6.3.2 Ewald summation . 137 6.3.3 Wolf summation . 141 6.3.4 Comparing Ewald and Wolf summations . 142 General conclusions 145 Appendix A Chemles: a library for chemistry input/output 151 A.1 The computational chemistry formats zoo . 152 A.2 An overview of chemles . 153 A.2.1 Goals and non-goals . 153 A.2.2 Existing alternatives . 153 A.2.3 Some code statistics. 154 A.3 Architecture and functionalities . 155 A.3.1 Public classes . 155 A.3.2 Files and formats. 156 A.3.3 Storing additional data: properties . 157 A.3.4 Atomic selection language . 158 Conclusions . 160 List of Publications 163 Publications related to this work . 163 Publications linked to previous work . 164 Bibliography 167 Résumé en français 189 Introduction . 189 4 Séparation de gaz dans des matériaux exibles . 192 5 Adsorption de N2 dans la ZIF-8 . 194 6 Champs de force à partir de données ab initio . 197 7 Intrusion d’électrolytes dans la ZIF-8 . 198 8 Adsorption d’eau dans les imogolites . 201 9 Simulations hybride dans l’ensemble osmotique . 203 Conclusions . 204 GENERALINTRODUCTION Nanoporous materials are material presenting nanometric cavities in their structure. These cavities (called pores) and the associated high specic surface area are the foundation for crucial industrial applications, in particular in the domains of uid separation and storage, water purication, and heterogeneous catalysis. Two classes of crystalline nanoporous materials that particularly stand out today are zeolites and metal–organic frameworks. Zeolites are natural and articial porous aluminosilicate known since 1756 and articially synthesized since the 1940s. They are currently highly used at the industrial level, in diverse applications including as catalysts in the oil industry and water softeners in laundry detergents. Since the 2000s, a new family of hybrid organic–inorganic crystalline nanoporous materials called metal–organic frameworks have emerged and sparked interest in the scientic community. These new materials are based on metallic clusters, linked together by organic linkers. This composition oers them immense structural and chemical diversity makes them tuneable: it is possible to engineer new materials with specic pore sizes, shapes, and chemistry by using dierent combinations of linkers and metals. The relatively weak coordination bonds between the metals cations and organic linkers create intrinsic structural exibility in metal–organic frameworks, which can be either local or extended to the whole material. Some of these metal–organic frameworks — grouped together under the name “soft porous crystal” — exhibit large scale structural transformations under external stimuli such as temperature, pressure, adsorption or even exposure to light.