Mousses en polyuréthane à cellules ouvertes recouvertes de polydopamine : des supports polyvalents pour catalyseurs hétérogènes à sites uniques et multiples – POLYCATPUF

L’utilisation de procédés industriels basés sur des Supports Catalytiques Structurés (SCS) est largement répandue. En effet, ces supports permettent un important rapport surface/volume, une faible perte de charge, des transferts de masse efficaces, un mélange intime des réactifs et une séparation aisée du catalyseur des produits. Parmi les SCS, les mousses à cellules ouvertes sont des candidats de choix car elles remplissent toutes ces caractéristiques. De structure métallique ou céramique, ce sont des supports idéaux de particules métalliques jouant le rôle de catalyseurs. La préparation de ces mousses nécessite cependant plusieurs étapes et la physisorption des particules catalytiques requiert un chauffage à très haute température. Ce mode de préparation, coûteux et vorace en énergie, représente un inconvénient important pour le développement de tels catalyseurs eu égard aux contraintes économiques et écologiques actuelles. En outre, ces mousses présentent des inconvénients liés à leur structure : elles sont lourdes et non flexibles, ce qui les rend cassantes ; elles présentent de nombreuses cellules fermées qui rendent la reproductibilité parfois aléatoire ; la récupération de l’onéreuse phase catalytique nécessite souvent de nombreux traitements chimiques en milieux fortement corrosifs. Par ailleurs, l’industrie chimique tend actuellement à adapter ses procédés de production en fonction de contraintes écologiques et économiques fortes, ce qui se traduit par la recherche de procédés et catalyseurs plus efficaces, l’utilisation de solvants moins toxiques (eau ou mélange organique/eau), et de températures de réaction les plus basses possibles.
Avec POLYCATPUF, nous proposons une alternative basée sur l’utilisation de mousses à cellules ouvertes en polyuréthane (OCPUF) pour des procédés s’opérant en conditions douces. Ces mousses, commercialement disponibles en très large quantité et à faible coût, possèdent les mêmes propriétés structurales que les mousses inorganiques avec l’avantage d’être flexibles et élastiques. Récemment, nous avons découvert qu’elles pouvaient être entièrement recouvertes d’un film de polydopamine (PDA). Ce revêtement déposé dans l’eau à température ambiance est particulièrement robuste et permet le greffage covalent de molécules organiques ainsi que l’ancrage de nanoparticules possédant des propriétés catalytiques. Nous avons récemment protégé cette découverte (brevet WO 2016 012689 A2) et ces résultats préliminaires constituent la base de ce projet.
POLYCATPUF est à l’interface de plusieurs disciplines, impliquant une étroite collaboration multidisciplinaire entre trois partenaires académiques spécialisés dans les domaines des matériaux et de la science des surfaces, de la catalyse organométallique et du génie chimique, et un partenaire industriel. Un consortium basé sur une expérience de quelques années entre les partenaires. Ce projet a pour but de démontrer toutes les potentialités offertes par des mousses polymères comme support de catalyseurs homogènes et hétérogènes. Tout d’abord, le greffage covalent de catalyseurs homogènes ouvre la porte à une vaste palette de catalyses accessibles, jusqu’alors inenvisageables à partir de mousses céramiques ou métalliques. Le greffage possible de catalyseurs homogènes et hétérogènes en surface permet de concevoir des procédés de catalyse combinée. Grâce à la présence d’un partenaire industriel, l’utilisation d’OCPUF comme support catalytique sera également évaluée dans un réacteur industriel. Enfin, ces OCPUF sont souples et élastiques, des propriétés qui laissent entrevoir la conception possible de réacteurs originaux tels qu’envisagés dans notre projet.
L’utilisation de ces OCPUF comme supports catalytiques pourrait donc avoir un impact scientifique et technologique mais aussi économique et écologique significatif sur les procédés industriels actuels dont pourrait bénéficier la société dans son ensemble.