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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Transformation hydrothermale de substrats cellulosiques assistée par photocatalyse – PHOTHER

Nouveaux concept et matériaux pour élaborer molécules d’intérêts et H2 à faible coût

L’objectif est de remplacer les ressources pétrolières par la biomasse pour générer de l’énergie et/ou fabriquer des molécules plateformes pour synthétiser médicaments, plastiques... en développant un concept moins énergivore et de nouveaux matériaux plus efficaces et moins coûteux.

Rendre moins énergivore et plus sélective la transformation de fraction hydrolysables de la biomasse en énergie et molécules plateforme

Les ressources fossiles ne sont pas inépuisables et source de pollution. L’objectif est alors de les substituer par l'une des plus importantes sources renouvelables de carbone, la lignocellulose, non comestible. Cependant, à l’heure actuelle de hautes pression et température et des matériaux coûteux à base de métaux nobles sont utilisés. Ce traitement catalytique hydrothermal reste énergivore et peu sélectif. D’un autre côté, la photocatalyse travaillant à température ambiante, pression atmosphérique avec des catalyseurs peu couteux activé sous lumière a montré son intérêt. Cependant ce procédé est lent. Nos solutions ont alors été d’assister le procédé hydrothermal par la photocatalyse afin de diminuer la température et d’améliorer l’efficacité du photocatalyseur en lui associant des propriétés acides favorisant la rupture des liaisons présentes dans les substrats cellulosiques. La perspective est alors d’avoir un procédé moins énergivore, plus sélectif et de nouveaux photocatalyseurs qui au niveau sociétal permettraient de préserver la compétitivité de l'industrie chimique et pourraient être étendu à d'autres transformation à l'origine de nouveaux emplois.

Un dispositif travaillant sous pression, température et irradiation a été mis au point. Il permet de travailler jusqu’à des températures de 200°C et des pressions de 40 bars sous différentes irradiations grâce à une fenêtre en saphyr. La validation du dispositif a été réalisée en travaillant avec le glucose, comme modèle de la biomasse cellulosique et des TiO2 commerciaux après mise au point de l’analyse des produits de dégradation photocatalytique et hydrothermale du glucose. L’acido-basicité des matériaux, paramètre important de transformation des substrats cellulosiques, a été évaluée par adsorption de pyridine et IR, adsorption d’ammoniac et de dioxyde de carbone suivie par calorimétrie ainsi que par l’étude de la transformation de DHA (DiHydroxyAcetone) afin de vérifer la persistance des acidités et basicités en phase aqueuse. De nouveaux matériaux composites TiO2/feuillet graphene et TiO2/Tantale associant propriétés photocatalytique et acidité et favorisant la séparation des charges photogénérées ont été développés et testés pour la production de H2 et la valorisation du glucose sous T, P, irradiation. Des relations entre propriétés acido-basiques, surface des matériaux et conversion de glucose ont été étudiées et des mécanismes proposés.

Un nouveau dispositif de transformation de la fraction hydrolysable de la biomasse sous T, P et irradiation a été conçu. Des molécules plateformes (acide lévulinique, acide gluconique et éthylène) et H2 se sont formés en présence de glucose et de TiO2 à P et T modérées, 120°C et 5 bars et irradiation, grâce à la génération d’acidité. Ce nouveau procédé ouvre aussi de nouvelles voies pour le traitement d’effluents aqueux en favorisant la minéralisation et limitant la génération de sous-produits. Les nouveaux matériaux composites TiO2/feuillets graphene et TiO2/Ta favorisent la formation de H2 par photocatalyse en améliorant la séparation des charges et la génération d’acide levulinique sous P, T et UV. Les propriétés acides des différents matériaux sont décrites en termes de nature, nombre de sites et force ce qui nous a permis des corrélations avec les propriétés photocatalytiques.

Grâce à ce nouveau dispositif et ces nouveaux matériaux, la consommation d'énergie pour produire des molécules plateformes et/ou de l'énergie sera réduite et le développement de nouveaux produits biosourcés pourront voir le jour à moindre cout. De nouvelles perspectives pourront voir le jour en travaillant avec d’autres atmosphères de travail comme par exemple une atmosphère réductrice pour former le sorbitol, en travaillant directement avec la cellulose. Il serait également intéressant de développer ce procédé pour répondre à de réelles problématiques de pollution des eaux.

1-Comparison of hydrothermal and photocatalytic conversion of glucose with commercial TiO2: Superficial properties-activities relationships, I.Abdouli, M. Eternot, F. Dappozze, C. Guillard, N. Essayem, Catalysis Today, 2021, 367, 268-277. (doi.org/10.1016/j.cattod.2020.03.040)
2-Hydrothermal process assisted by photocatalysis: Towards a novel hybrid mechanism driven glucose valorization to levulinic acid, ethylene and hydrogen, I.Abdouli, F. Dappozze , M. Eternot , N. Essayem , C. Guillard , Applied Catalysis B: Environmental 2022, 305, 121051
3- Few Layer Graphene/TiO2 Composites for Enhanced Solar-Driven H2 Production from Methanol, H. El Marouazi, P. Jiménez-Calvo, E. Breniaux, C. Colbeau-Justin, I. Janowska, V. Keller, CS Sustainable Chem. Eng. 2021, 9, 10, 3633–3646

Le projet PHOTHER vise à développer un nouveau concept de transformation de ressources cellulosiques en biocarburants et molécules plateformes pour la chimie. Le principe est d’assister le procédé hydrothermal par le développement de nouveaux matériaux associant d’excellentes propriétés acido-basiques et photocatalytiques. L’objectif est d’abaisser la température nécessaire à l’activation des substrats carbohydrates par le photocatalyseur afin obtenir un procédé moins énergivore et limitera les réactions secondaires parasites se déroulant en phase homogène. Cette étude sera réalisée grâce aux compétences combinées de chercheurs reconnus internationalement en photocatalyse, valorisation catalytique de la biomasse et matériaux (photo)catalytiques. L’exploration des produits liquides et gazeux formés, de leur sélectivité en relation avec les propriétés acido-basiques, physicochimiques et optiques permettrons la production de nouvelles connaissances scientifiques de ce procédé en rupture.

Coordinateur du projet

Madame Chantal Guillard (Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IES-CNRS Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé
CNRS Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon

Aide de l'ANR 410 140 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2018 - 42 Mois

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