La séparation CO2/N2 et H2/CO2 permet de limiter le rejet de CO2 dans l’atmosphère issu des gaz industriels et les membranes présentent de nombreux avantages tant sur le plan économique que pratique. Les membranes polymère sont faciles à mettre en forme mais un compromis entre perméabilité et sélectivité doit généralement être trouvé : pour améliorer les performances, des membranes à matrice mixte (MMM) incorporant des MOFs (matériaux hybrides poreux cristallisés) dispersés dans la phase polymère ont été proposées. A la différence des matériaux poreux inorganiques, les MOFs ont une meilleure compatibilité avec la matrice polymère du fait de leur caractère hybride organiqueinorganique. Dans le cadre de cette thèse, des polycarboxylates de Fe3+ et Al3+ poreux, stables à l’eau, et possédant de bonnes propriétés d’adsorption sélective du CO2 ont été synthétisés en milieu aqueux et mis à l’échelle de quelques grammes. Deux nouveaux polycarboxylates de Fe3+ poreux fonctionnalisés par des fonctions -COOH libres ont été obtenus à température ambiante. Pour l’un d’entre eux, la structure a été déterminée par diffraction des rayons X. Une deuxième partie de la thèse a été consacrée à la synthèse de nanoparticules de MOFs avec un bon rendement. Une partie importante de ce travail a porté sur le contrôle de la taille et la morphologie des nanoparticules de MIL-96(Al). Ce travail a conduit à la préparation de MMMs à base de MIL-96(Al) dont les performances sont supérieures à la membrane pure polymère pour la séparation CO2/N2. La dernière partie de ce travail de thèse a porté sur l’étude physico-chimique de la compatibilité entre le ZIF-8 et deux polymères (PVA et PIM-1). Ce travail a consisté à effectuer une caractérisation complète de solutions colloïdales MOFs/polymère en couplant plusieurs techniques (DLS, TEM, SAXS). Cette étude a montré que la compatibilité MOF/polymère est très dépendante de la chimie de surface des MOFs et des propriétés physico-chimiques du polymère (rigidité, caractère hydrophile/hydrophobe…). / CO2 capture and storage (CCS) is of high economical and societal interest. CO2/N2 andH2/CO2 separations are able to limit atmospheric CO2 emissions produced by industrial exhausts andmembranes present numerous economical and practical advantages. Polymer membranes are easy toprocess and possess interesting mechanical properties. However, there is a trade-off to make betweenpermeability and selectivity. Mixed-matrix membranes (MMM) based on MOFs (porous crystallinehybrid materials) have been proposed to boost the performances of polymer membranes for CO2capture. In comparison to other inorganic porous materials, one may expect that the compatibilitybetween MOFs and polymers is enhanced due to the hybrid character of MOFs.In this work, porous water stable polycarboxylate MOFs based on Fe3+ and Al3+ with promisingproperties for CO2 adsorption were synthesized for large-scale production using water as the mainsolvent. Two new porous polycarboxylate Fe3+ MOF bearing free -COOH groups in the frameworkwere obtained at room temperature as nanoparticles. The crystallographic structure of one of thesematerials was determined by single crystal X-ray diffraction. A second part of the thesis was devotedto the synthesis of MOFs nanoparticles with good yield. We focused our attention on the control of thediameter and morphology of MIL-96(Al) nanoparticles. This study led to the preparation of MMMsbased on MIL-96(Al) with promising properties for CO2/N2 separation. Finally, the compatibilitybetween MOF particles and polymers was studied for two systems (ZIF-8/PIM-1 and ZIF-8/PVOH),showing the influence of the surface chemistry of MOFs and the physico-chemical properties ofpolymer on the matching between MOFs and polymers.

Dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre, une des approches possibles consiste en l’utilisation de membranes pour séparer le CO2 de mélanges gazeux. Durant ce travail de thèse, la séparation CO2 / N2 dans des conditions de post-combustion a été étudiée pour des membranes à matrice mixte composées de matériaux organométalliques poreux, les MOF, insérés dans des polymères. Plus spécifiquement, la thèse porte sur la caractérisation de ces membranes à l’aide des spectroscopies vibrationnelles (IR et Raman). Différentes membranes polymériques et membranes à matrice mixte basées sur des polymères commerciaux comme le Matrimid ou le PEBAX ou des nouveaux polymères comme le PIM-1 ou 6FDA-DAM plus performants ont ainsi été étudiées. La spectroscopie Raman a d’abord été utilisée pour contrôler l’homogénéité des membranes et la bonne dispersion du MOF au sein du polymère à l’aide du Raman. Les interactions entre le polymère et le MOF ont également été étudiées à l’aide des spectroscopies IR in situ et Raman, notamment pour des composites modèles permettant de maximiser les interactions entre les deux composés. La deuxième partie du travail a été axée sur la caractérisation spectroscopique (IR operando) de ces membranes dans les conditions de post-combustion, simultanément à la mesure de leurs performances en séparation. Un système de mesures dédié a donc été spécialement développé. Cette méthodologie permet de comparer directement les données d’adsorption et de séparation des membranes. En développant une nouvelle approche couplant les aspects cinétiques et thermodynamiques de l’adsorption et de la perméation, les données expérimentales ont été modélisées afin de déterminer les paramètres d’adsorption et de diffusion des différentes membranes. / In the frame of the abatement of greenhouse gases, one of the possible approaches concern the use of membranes to separate CO2 from gas mixtures. During this PhD work, CO2 / N2 separation in post-combustion conditions has been studied for Mixed Matrix Membranes constituted by porous organometallic materials, MOFs, inserted into polymers. More specifically, this work aims at the characterization of these membranes using vibrational spectroscopies (IR and Raman). Different membranes, purely polymeric or Mixed Matrix Membranes, based on commercial polymers such as Matrimid or PEBAX as well as new polymers such as PIM-1 or 6FDA-DAM have been studied. Raman spectroscopy was first used to control the homogeneity of the membranes and the good dispersion of the MOF within the polymer. The interactions between the polymer and the MOF were also studied using IR in situ and Raman spectroscopies, notably for composites allowing maximizing the interactions between the two components. The second part of the work focused on the characterization of these membranes under operating post-combustion conditions, simultaneously with the measurement of their separation performance. For this purpose, a specifically designed measurement system has been developed in order to be able to test the membranes using IR operando. This methodology allows the direct comparison of adsorption and separation data. By the development of a new approach coupling kinetic and thermodynamic aspects of adsorption and permeation, experimental data were modelled to determine adsorption and diffusion parameters of the various membranes.