NobleFreeCat — Nanoparticules bimétalliques sans métal noble pour l’hydrogénation des sucres

L'hydrogénation de sucres en polyols est le plus souvent menée sur des métaux nobles comme le ruthénium ou sur le nickel de Raney, et peu de travaux rapportent l’utilisation de métaux non nobles supportés. Or le cout des métaux nobles est élevé, leur abondance est faible, et à la fois leur cout et leur disponibilité sont sujets à de larges fluctuations. Des substituts aux métaux nobles devraient être trouvés dans la première ligne des métaux de transition, métaux particulièrement abondants et bon marché, mais susceptibles de se désactiver sous réaction ou, comme le nickel, d’induire des réactions secondaires d'hydrogénolyse. Dans ce contexte, le potentiel de combinaisons bimétalliques à base de fer mérite d'être pleinement exploré. Cependant, la balance hydrogénation/hydrogénolyse du catalyseur n'est pas simplement gouvernée par le ratio entre les deux métaux, mais aussi par leur degré d'association, i.e., en alliage ou ségrégés, un point crucial à prendre en compte pour un métal fortement sensible à l'oxydation comme Fe. La possibilité de synthétiser des nanoparticules bimétalliques à base de Fe de façon contrôlée apparaît limitée lorsque le catalyseur est préparé selon des méthodes standard, qui mènent à la coexistence de particules différant par leur taille, leur structure ou leur composition. En conséquence, aucune conclusion définitive ne peut actuellement relier la formulation et les propriétés catalytiques de systèmes à base de Fe, faute d'un contrôle efficace de la nature des particules à l'échelle nanométrique, conduisant à des difficultés d'interprétation, de reproductibilité, d'extrapolation et de rationalisation des résultats de catalyse. Le projet NobleFreeCat regroupe quatre équipes universitaires avec des expertises complémentaires en synthèse de nanoparticules métalliques et catalyse (Unité de Catalyse et Chimie du Solide, Laboratoire de Chimie de Coordination, Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers, Laboratoire de Chimie Physique), pour développer des voies de synthèse extrapolables à grande échelle de nanoparticules supportées à base de Fe de taille, composition et ordre chimique contrôlés, pour être utilisées comme substituts peu onéreux aux métaux nobles dans l'hydrogénation catalytique des sucres. Trois systèmes dont l'activité en hydrogénation sélective a été récemment décrite dans la littérature seront explorés: Fe-Ni, Fe-Cu et les composés intermétalliques Fe-Al. Des catalyseurs supportés sur silice et zircone seront préparés par dépôt-précipitation, imprégnation en présence d’additifs organiques et méthodes par radiolyse. Des systèmes alliages ou cœur-coquille préparés par voie organométallique ou mécanochimie seront utilisés comme standards pour la détermination de la stabilité des alliages, pour la caractérisation structurale des systèmes supportés et pour les tests catalytiques. L'hydrogénation d'un monosaccharide, le xylose, en xylitol, et celle d'un disaccharide, le maltose, en maltitol, peu abordée au niveau académique mais d'importance pour l'industrie, seront testées en milieu aqueux sous conditions hydrothermales et en eutectiques profonds en l'absence d'eau. Une combinaison unique de techniques de caractérisation (diffraction et absorption des rayons X en mode in situ, cartographie STEM-EDX et -EELS à l'échelle subnanométrique, XPS/LEIS, spectroscopie Mössbauer) sera mise en œuvre pour surmonter la difficulté de distinguer des éléments contrastant peu en Z et pour sonder la composition de volume et de surface des nanoparticules à l'échelle individuelle, tout au long de leur cycle d'utilisation: réduction, réaction, exposition à l'air, régénération du catalyseur. L'établissement de corrélations entre voie de synthèse, composition chimique et activité catalytique permettra au consortium de poser les jalons vers un processus de maturation technologique, aidé en cela par la participation de représentants du producteur sucrier Tereos dans le comité de pilotage du projet.