Catalyse pour la chimie durable

Le méthane, molécule abondante sur notre planète, joue un rôle important en tant que gaz à effet de serre, avec un impact environnemental 30 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone. Le développement de technologies permettant de convertir le méthane de manière efficace et respectueuse de l'environnement est crucial pour l'utilisation durable des ressources, qu'elles soient renouvelables ou fossiles. Notre engagement dans cette approche se concentre sur l'activation photocatalytique du méthane. Ce thème est soutenu par quatre projets ANR et PEPR. Dans le cadre de nos recherches, nous avons proposé de nouveaux schémas réactionnels photocatalytiques pour le couplage du méthane à l'éthane, l'oxydation sélective du méthane en CO et la carbonylation du méthane pour produire de l'acide acétique. Nous avons également proposé de nouveaux procédés basés sur la photothermocatalyse et la photoélectrocatalyse. Nous occupons une position de leader dans ce domaine et souhaitons continuer sur ces sujets en proposant de nouveaux processus et approches pour la conversion du méthane à l'aide de cellules solaires par exemple pour de nouvelles réactions impliquant le développement de matériaux catalytiques innovants.

Investigateurs principaux : V. Ordomsky, M. Antuch

L'une des principales activités de recherche de l'équipe est axée sur la valorisation du CO2 en produits de valeur tels que les oléfines légères. Nous sommes impliqués dans plusieurs projets de valorisation, tels que le projet ANR DEZECO et le projet HORIZON 2020 TAKE-OFF, qui se concentrent respectivement sur la synthèse d'oléfines légères et de carburéacteur. Notre objectif principal est de convertir le CO2 en oléfines légères ou en méthanol avec un taux de conversion et une sélectivité élevés. Nous avons fait des progrès significatifs dans cette direction en concevant de nouveaux matériaux composites et en identifiant le mécanisme réactionnel qui nous permettra d'augmenter la sélectivité. Les recherches menées dans le cadre de ces projets nous ont permis d'établir des contacts étroits avec des entreprises spécialisées dans la production d'énergie à partir de sources renouvelables. Nous ciblons maintenant les nouvelles approches de conversion du CO2 à l'aide de métaux liquides, la réduction électrocatalytique et photocatalytique du CO2.

Investigateurs principaux : A. Khodakov, V. Ordomsky, M. Virginie, S. Paul, F. Dumeignil.

La catalyse hybride associe des catalyseurs chimiques et biologiques pour créer des systèmes multicatalytiques aux propriétés améliorées. Cette approche surmonte les limitations des catalyses chimiques et biologiques conventionnelles, offrant une plus grande diversité et efficacité réactionnelle. Par exemple, la combinaison d’enzymes avec des nanoparticules métalliques supportées permet des transformations chimiques plus sélectives et efficientes, inaccessibles par les méthodes traditionnelles.
L'équipe CatSusChem de l'UCCS utilise ce nouveau champ de recherche pour la conversion de composés biosourcés, en particulier ceux issus de la biomasse lignocellulosique, afin d'obtenir des précurseurs de polymères, des tensioactifs, des produits pharmaceutiques ou de nombreux autres types de petites molécules à haute valeur ajoutée. À cette fin, l'équipe s'intéresse particulièrement à la combinaison rationnelle, assistée par un criblage à haut débit, des deux familles de catalyseurs, afin d'obtenir les processus les plus intégrés possibles et, en fin de compte, de nouveaux matériaux hybrides multi-catalytiques hautement efficaces et recyclables. Originellement créée autour de la combinaison d’approches en catalyse chimique (homogène/hétérogène) et de biocatalyse (enzymatique et fermentaire), le concept s’est peu à peu étoffé en s’ouvrant à la combinaison de celles-ci avec de nouvelles approches, incluant l’électrocatalyse, la photocatalyse, la catalyse plasmonique, ou encore la mécanochimie.

Investigateurs principaux : E. Heuson, M. Capron, J.-S. Girardon, M. Antuch, V. Ordomsky

Le développement de la chimie théorique et quantique, couplée à l’amélioration de la puissance de calcul informatique a permis d’entrevoir la possibilité de translater vers une science un peu plus prédictive. Malgré cela, ces approches nécessitent toujours la réalisation d’une validation expérimentale afin d’en vérifier l’exactitude des résultats. Plus récemment, la révolution qu’est venue apporter l’intelligence artificielle, et plus précisément l’apprentissage machine, s’est propagée à la chimie, laissant entrevoir la possibilité de mettre au point des catalyseurs et des procédés in silico. Cependant ces approches nécessitent une très grande quantité de données pour l’apprentissage des modèles, et c’est dans cette perspective que l’UCCS, à travers ses équipes en chimie théorique, en catalyse, et surtout à travers ses plateformes de synthèse, de test et de caractérisation à haut-débit (i.e. : REALCAT), a commencé à participer à l’essor de cette nouvelle thématique. Ainsi, plusieurs projets sont en cours autour de 1) le remplacement de la puissance de calcul requise à la chimie théorique (calculs DFT, etc.) par des déterminations prédictives des énergies associées, de 2) l’optimisation accélérée de conditions réactionnelles catalytiques à travers la prédiction des paramètres les plus prometteurs à tester (optimisation bayésienne), ou encore visant à 3) concevoir de nouveaux catalyseurs chimiques et biologiques par l’établissement de relation structures-activité basés sur de larges campagnes de criblages traitées par des réseaux de neurones. Thématique naissante à l’UCCS, elle a cependant déjà conduit à plusieurs premiers résultats notables et sera perpétuée à moyen terme par le développement de projets dans de nombreuses thématiques allant de la valorisation de la biomasse au recyclage des polymères, en passant par la synthèse de produits de commodités.

Investigateurs principaux : S. Paul, F. Dumeignil, E. Heuson