Synthèse sol-gel non-hydrolytique de catalyseurs stables pour l'hydrogénation en phase aqueuse de substrats biosourcés – NHYSCAB

L'utilisation de ressources renouvelables est essentielle pour un développement durable de notre société. Le développement de procédés catalytiques propres pour la production de produits chimiques à haute valeur ajoutée à partir de matériaux renouvelables tels que le bois ou des plantes est devenu un objectif majeur pour les chimistes. Les charges obtenues par fermentation enzymatique ou acidolyse de lignocelluloses sont principalement constituées de molécules solubles dans l'eau contenant plusieurs groupes oxygénés acides et/ou alcool. Ces molécules doivent être ensuite transformées afin de trouver des applications en tant que monomères, solvants, etc. Pour ce faire, il est indispensable de concevoir des nouveaux catalyseurs stables en milieu aqueux et capables de résister à des conditions sévères de pH, de température et de pression.
Le projet NHYSCAB concerne la synthèse de catalyseurs métalliques dopés, actifs et stables pour les réactions d’hydrogénation/hydrogénolyse catalytiques hétérogènes de dérivés biosourcés en phase aqueuse, à des températures de 100 à 200 °C et des pressions d’hydrogène de 50 à 150 bar. Ces catalyseurs seront basés sur un métal noble (e.g. Pd ou Ru) modifié par un promoteur oxophile (Re ou Mo) et dispersé sur un support oxyde métallique de stabilité hydrothermale élevée. Ce projet est basé sur la collaboration entre deux partenaires publics complémentaires, IRCELYON (coordinateur) et ICGM, qui sont internationalement reconnus pour leur expertise respective dans les domaines de la transformation catalytique de la biomasse et la synthèse d'oxydes mixtes par procédé sol-gel non hydrolytique (SGNH).
La première partie du projet concerne le développement de matériaux catalytiques élaborés grâce au procédé SGNH, qui offre une méthodologie efficace pour synthétiser des supports mésoporeux stables oxydes (TiO2, ZrO2) ainsi que des supports oxydes mixtes (Re-Ti, Mo-Ti) incorporant un promoteur qui après un traitement thermique approprié sera dispersé à la surface du support. La stabilité hydrothermale de ces supports sera évaluée dans les conditions de réaction. Ces supports stables, présentant une composition et une structure bien définies, permettront de préparer des catalyseurs métalliques dopés efficaces.
La deuxième partie du projet concerne l'évaluation des catalyseurs dans la réaction de référence, qui sera l'hydrogénation en phase aqueuse d'acides biosourcés (acides succinique et lévulinique) pour former les diols correspondants (1,4-butane- et 1,4-pentane- diols). Les catalyseurs seront également testés dans l’hydrogénolyse de l'alcool tetrahydrofurfurylique (issu de la plate-forme furfural) en 1,2- ou 1,5- pentanediol. Les produits obtenus peuvent trouver de nombreuses applications, notamment comme monomères.
La conception de solides bien définis et parfaitement caractérisés est essentielle pour optimiser la synthèse des molécules cibles. En conséquence, les différents solides (supports et catalyseurs) seront caractérisés en détail à différentes étapes (supports oxydes mixtes, catalyseurs métalliques supportés avant et après la réaction), pour déterminer leur structure, leur composition et leur texture, afin de valider leur stabilité et de corréler les caractéristiques des catalyseurs et leurs performances. Pour encore améliorer activité et sélectivité, nous optimiserons également les conditions de réaction. Après l'étude et sélection des différents catalyseurs en réacteur batch, la réaction sera transposée dans un réacteur à lit fixe continu pour étudier la stabilité à plus long terme des systèmes catalytiques les plus prometteurs.