Transformation hydrothermale de substrats cellulosiques assistée par photocatalyse – PHOTHER

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.