Ces chimistes à l’assaut du CO2

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CNRS LE JOURNAL, JANVIER 2017

Depuis des années, le chimiste Marc Robert développe un procédé pour valoriser le dioxyde de carbone. Avec ses collègues Jean-Michel Savéant et Cyrille Costentin, du Laboratoire d’électrochimie moléculaire, il a reçu en novembre 2016 le prix du « Challenge des molécules essentielles » de la société Air Liquide.

Que faire des milliards de tonnes de CO2 que nous injectons chaque année dans l’atmosphère ? C’est sans doute en gardant cette question à l’esprit que Marc Robert a commencé à imaginer des solutions permettant de valoriser ce gaz à effet de serre, au milieu des années 2000. Avant cela, le chimiste et ses collègues du groupe Transfert d’électron et bouleversements moléculaires du Laboratoire d’électrochimie moléculaire1 (LEM) vont, plus d’une décennie durant, s’évertuer à faire progresser les connaissances sur les transferts d’électrons. Leurs travaux, avant tout fondamentaux, s’appuient sur l’électrochimie moléculaire. Cette discipline dérivée de la chimie permet d’étudier comment les électrons peuvent casser les liaisons entre les atomes d’une même molécule pour produire d’autres molécules d’intérêt.

« C’est sur les conseils de Jean-Michel Savéant, dont j’ai fait la connaissance durant mon année de DEA, que j’ai finalement décidé de m’intéresser à la chimie des transferts d’électron et aux petites molécules comme le CO2 », se souvient Marc Robert. Durant sa thèse, qu’il soutient sous la direction de cette figure mondiale de l’électrochimie, Marc Robert va également croiser le chemin de Rudolph Marcus. Si la rencontre avec le prix Nobel de chimie 1992 n’est que de courte durée, les travaux du scientifique américain vont en revanche grandement influencer le jeune chercheur.

Des débouchés industriels prometteurs

Après une année de stage postdoctoral aux États-Unis, Marc Robert intègre l’université Paris-Diderot. Nous sommes alors en 1997 et la grande préoccupation scientifique est le trou dans la couche d’ozone. « À l’époque, les études scientifiques portant sur la réduction du CO2 par catalyse électrochimique étaient encore relativement confidentielles », explique celui qui est désormais enseignant-chercheur en chimie dans cette université.

Cela ne va toutefois pas durer. Au tournant des années 2000, la menace du changement climatique conduit nombre de gouvernements à faire de la réduction des gaz à effet de serre – au premier rang desquels figure le CO2 – une priorité. Dans ce contexte, les travaux de Marc Robert et des autres chercheurs du LEM sur les aspects fondamentaux des transferts d’électrons vont alors contribuer à l’étude de la réduction du CO2 en monoxyde de carbone (CO). Ce gaz est en outre une matière première importante pour l’industrie chimique qui l’emploie dans la fabrication de l’acide acétique, des polycarbonates ou des intermédiaires du polyuréthane.

Une fois enrichi en hydrogène, le monoxyde de carbone peut également servir à produire des molécules plus complexes. « On peut par exemple obtenir du méthanol (CH3OH), un alcool qui fait office de carburant mais peut aussi être employé dans des piles à combustible pour alimenter des appareils électroniques portables. Il est également possible de synthétiser des hydrocarbures comme le méthane », illustre le scientifique. Faire du CO2 la principale source d’approvisionnement de produits carbonés de ce genre s’avère en revanche très onéreux. La réduction de CO2 en CO implique en effet de rompre une des liaisons carbone-oxygène extrêmement solides, ce qui nécessite une grande quantité d’énergie. Les procédés les plus efficaces reposent sur l’emploi de métaux rares et par conséquent très coûteux, bien que l’utilisation de catalyseurs permette de limiter le coût de la réaction chimique.

Un catalyseur aux multiples atouts

Marc Robert et son équipe parviennent toutefois à déjouer ces difficultés en 2011. Avec l’un de ses étudiants en stage postdoctoral dans son laboratoire de l’université Paris-Diderot, il s’apprête à tester pour la première fois un catalyseur de la réduction du CO2 d’un genre nouveau. « Dès le premier essai, nous sommes parvenus à mettre au point un catalyseur moléculaire de la réduction du CO2 parmi les plus performants jamais conçus à ce jour », s’étonne aujourd’hui encore le chercheur. Un véritable coup de maître qui leur vaudra la publication d’un article dans la revue Science2 un an plus tard.

Inspiré de la protéine d’hémoglobine qui assure le transport de l’oxygène dans le sang, ce catalyseur moléculaire est constitué d’une cavité organique au sein de laquelle est positionné un atome de fer. Ce dernier assure la transformation du CO2 à partir d’électrons fournis par une électrode de carbone. « En substituant notre catalyseur aux habituelles molécules à base de métaux rares, la réduction du CO2 en monoxyde de carbone est non seulement plus rapide et très stable dans le temps, mais elle devient aussi extrêmement sélective vis-à-vis du CO2 », précise Marc Robert. Le fer étant de surcroît le métal le plus abondant de la croûte terrestre, le développement à grande échelle d’un procédé utilisant cette famille de catalyseurs devient un objectif réaliste3. Mais alors qu’il faudra sans doute plusieurs années avant qu’une technologie basée sur ces principes émerge et puisse être commercialisable, d’autres défis attendent les chercheurs d’ici là.

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Vers un monoxyde de carbone 100 % vert

« Avec Jean-Michel Savéant et Cyrille Costentin, nous analysons les données expérimentales collectées par nos étudiants presque quotidiennement, souligne Marc Robert. Sans ce mode de fonctionnement collaboratif où chacun fait part de ses idées et de ses intuitions, nous n’aurions pu découvrir si rapidement un système de catalyse aussi efficace. » Sur un plan fondamental, les trois scientifiques poursuivent ainsi le décryptage des mécanismes électrochimiques qui se cachent derrière les performances exceptionnelles de leurs catalyseurs. Afin de leur délivrer les précieux électrons sans passer par l’intermédiaire d’une électrode, l’équipe commence par ailleurs à expérimenter la réduction du CO2 à partir de la lumière visible. « Je ne serais peut-être pas venu naturellement à ce type d’expérimentation si je n’avais fait le choix d’étudier la photochimie 15 ans plus tôt lors de mon stage postdoctoral », constate le chercheur.

Pour pouvoir mener de front tous ces projets, Marc Robert et ses collègues vont mettre à contribution la dotation qui accompagne le prix du « Challenge des molécules essentielles »4 décerné par Air Liquide pour recruter de nouveaux postdoctorants. Pendant les quatre prochaines années, ils vont également avoir l’opportunité de travailler en étroite collaboration avec les laboratoires de recherche du groupe industriel pour réaliser les premiers essais pilotes de leur technologie. « Idéalement, nous envisageons de fournir l’électricité nécessaire à la catalyse du CO2 à partir de panneaux solaires dans la perspective de produire pour la première fois du monoxyde de carbone 100 % vert », conclut le scientifique.

 

Notes:

  1. Unité CNRS/Université Paris-Diderot.
  2. « Local Proton Source Enhances CO2 Electroreduction to CO by a Molecular Fe Catalyst », C. Costentin, S. Drouet, M. Robert et J.-M. Savéant, Science, 2012, vol. 338 : 90-94.
  3. Grâce au soutien de la Société d’accélération de transfert technologique IDF Innov, ce procédé a déjà fait l’objet de quatre brevets depuis 2013.
  4. Au sein de l’équipe de Marc Robert, le prix a également été attribué à Jean-Michel Savéant, directeur de recherche émérite au CNRS, et Cyrille Costentin, professeur à l’université Paris-Diderot et actuellement professeur invité à l’université d’Harvard.

Photo 1: Le chimiste Marc Robert, du Laboratoire d’électrochimie moléculaire (LEM)  © C. FRESILLON/CNRS PHOTOTHÈQUE
Photo 2: Électrolyse d’une solution aqueuse saturée en dioxyde de carbone (CO2) et contenant un catalyseur moléculaire à base de fer, lequel permet de réduire le CO2 en monoxyde de carbone (CO). (Sur la photo, Étienne Boutin, étudiant en thèse, au LEM.)  © C. FRESILLON/CNRS PHOTOTHÈQUE

www.cnrs.fr

 

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