ANR 2016 - ICARE_1 - Nanostrucutres métal@carbone innovante pour une catalyse durable

La catalyse est la technologie essentielle pour transformer précisément la structure chimique de la matière sur une grande échelle. Elle est au cœur de notre qualité de vie et est également essentielle à l’économie. L'un des principaux défis pour la catalyse est de mieux comprendre et ainsi pouvoir concevoir de nouvelles structures afin de contrôler plus efficacement l'activité, la sélectivité et la stabilité du catalyseur. Il est donc absolument nécessaire pour la France de développer des catalyseurs innovants afin de « stimuler son renouveau industriel ». Concevoir de telles structures offre la promesse de meilleures performances à condition que les spécifications suivantes soient respectées : a) un contrôle précis de la taille/forme des nanoparticules (NPs), b) un contrôle de l'environnement direct des NPs, et c) des interactions métal-support robustes et contrôlées. Ceci est loin d'être le cas pour les catalyseurs supportés classiques, pour lesquels la distribution des tailles de particules est souvent assez large, et en raison de la chimie de surface complexe du support, la nature de l'interaction métal-support n'est pas contrôlée avec précision, ce qui entraîne des performances catalytiques non optimisées. Le projet ICARE_1 se concentre sur la conception de catalyseurs hétérogènes totalement innovants. Inspiré par les Metal Organic Frameworks, nous proposons de développer une famille tout à fait originale de matériaux hybrides, nommés Metal-Carbon Frameworks (MECAFs), associant d'une manière contrôlée et par des liaisons covalentes des matériaux de carbone nanostructurés avec des NPs métalliques. Les matériaux carbonés nanostructurés sélectionnés comprennent les fullerènes C60 et des nanodiamants moléculaires (NDs) dérivés de l'adamantane et du diamantane. La fonctionnalisation contrôlée des nanocarbones et la formation de liaisons covalentes avec le métal devraient assurer la directionnalité des édifices en chaînes (1D), en structures planes (2D) ou en assemblages 3D. En outre, le contrôle cinétique/thermodynamique de la réaction devrait permettre la construction atome par atome des NPs métalliques, ce qui est jusqu'à présent impossible. Ce matériau va donc combiner : a) une taille de NPs contrôlée (construction de NPs atome par atome), b) un environnement atomiquement défini pour la NP, c) une interaction covalente avec le support, et d) une porosité élevée et une surface présentant une haute densité de centres catalytiques. Pour atteindre cet objectif une approche interdisciplinaire est nécessaire ; nous comptons donc sur l'expertise du consortium en : a) synthèse et fonctionnalisation de C60 et NDs, b) synthèse et caractérisation de NPs métalliques, des métaux tels que Au, Ru et Pd sont ciblés en raison des applications catalytiques, c) assemblage contrôlé de structures hybrides, et d) modélisation, visant à la compréhension de la formation des MECAFS. Nous allons appliquer les MECAFs à un domaine stratégique de la catalyse dans les pays industrialisés : la chimie fine. Deux réactions d'intérêt industriel élevé ont été sélectionnées, pour lesquelles activité, sélectivité et stabilité sont de véritables défis : a) la réaction d’hydroaminométhylation qui permet la production d'amines à partir d'alcènes, et b) l'arylation directe de liaisons C-H non-activées dans des composés hétéroaromatiques. Nous rechercherons spécifiquement à établir des corrélations structure/propriété des matériaux catalytiques. De tels matériaux sont innovants, et les potentiels de progrès scientifiques et technologiques sont considérables. Outre la catalyse hétérogène visée, les MECAFs devraient être d'un grand intérêt pour les chimistes (électrocatalyse, stockage de gaz) et les physiciens (propriétés magnétiques et de transport).