Section 14 Chimie de coordination, catalyse, interface et procédés

I. Défis sociétaux

Nos approches fondamentales et appliquées interagissent avec :

Les défis de l'Énergie :

conversion de l'énergie ;stockage ;alternative énergétique.

Les défis de l'Environnement :

réduction des émissions de gaz à effets de serre ;optimisation des ressources ; (métaux nobles, mat biosourcés...) ;durabilité fiabilité des systèmes et matériaux ;traitements, Remédiation des milieux ;

les défis de la Santé ;

compréhension des mécanismes biologiques ;nouveaux outils de diagnostics et de traitement.

A. Réduction des besoins énergétiques et des émissions de gaz à effet de serre

10 % des besoins en énergie et 7 % des émissions de gaz à effets de serre relèvent de l'industrie chimique. Ainsi, la production de 18 composés (dont l'ammoniac, l'éthylène, le propylène, le méthanol et les aromatiques benzène-toluène-xylène, etc.) consomme près de 80 % des besoins énergétiques de l'industrie chimique et émet 75 % des émissions de gaz à effet de serre. L'amélioration impérative de cette situation impose un travail sur les procédés ou les matières premières.

90 % des procédés de l'industrie chimique utilisent des catalyseurs dont l'amélioration pourrait amener à une économie d'énergie entre 20 et 40 % d'ici à 2050. L'utilisation des « déchets » issus de la biomasse, consommatrice de CO2, représenterait un saut technologique, mais uniquement sur des cycles complets de production analysés comme éco-compatibles. On peut citer comme domaines d'importance clés : les technologies gaz-vers-liquide type synthèse Fischer-Tropsch s'appuyant sur des sources variées, fossiles ou renouvelables ; la conversion des biomasses en alcools, oléfines courtes et aromatiques ; l'électrolyse et la décomposition photocatalytique de l'eau. Progresser ou percer dans ces domaines impliquera la collaboration étroite entre partenaires académiques et industriels à l'échelle européenne et mondiale.

B. Traitement et remédiation des milieux

Améliorer la qualité de l'air et des eaux est un enjeu majeur, qui nécessite des réponses technologiques qui passent par la compréhension des effets de pollutions et par la conception : de procédés de traitement des effluents, en phase gazeuse ou liquide ; de procédés de dépollution de systèmes très complexes présents dans les milieux naturels (air, sols, eaux usées, fluviales, souterraines,), qu'ils s'agissent de pollutions récurrentes (Zn, Cu, TBT, PCB,) ou accidentelles pour les hydrocarbures voire catastrophiques pour les radioéléments. Les recherches par exemple en catalyse de NOx ou de dénitration, en élimination catalytique des composés organiques volatils ou dissous en phase aqueuse, en traitement des aérosols carbonés, en rétention de principes actifs, de métaux lourds ou de radionucléides, sont et seront des priorités

Dans le défi environnemental la conception et le développement de nouveaux matériaux performants, durables et peu chers seront cruciaux. La réponse aux besoins réels de procédés, imposera de franchir un seuil, en allant au-delà des systèmes modèles via une approche multi-échelle (site actif, matériau, réacteur, catalyse assistée par voie électro- ou photochimique), qui permettra une recherche intégrée considérant les mécanismes élémentaires, leurs synergies, jusqu'aux conditions réelles d'utilisation des dispositifs et des procédés de remédiation.

C. Remplacement des métaux nobles

Un autre défi majeur concerne la disponibilité, l'approvisionnement et le coût de certains métaux utilisés dans des secteurs industriels « stratégiques » aussi divers que la catalyse, l'(opto)électronique, l'énergie, le transport, la communication. La section 14 est très concernée par le défi de leur substitution qui nécessitera des solutions fondamentales nouvelles.

La raréfaction de certains métaux précieux et des éléments f, amplifiée par des considérations géopolitiques sensibles, influence directement la rentabilité de leur utilisation dans des applications de masse (aimants, éclairage, catalyse). Pour certains de ces métaux (Pd, Rh, Ir), la situation est déjà critique. Pour Ru, peu abondant mais performant, la situation peut le devenir si de nouveaux procédés sont développés à grande échelle. La recherche sur les catalyseurs à base de métaux précieux restera une priorité en (électro)catalyse, dans les domaines de la synthèse chimique, de l'énergie et de la dépollution, avec l'obligation d'abaisser encore les teneurs utilisées. La problématique est la même pour les dispositifs à base d'éléments f. Aussi une de nos missions est et sera de fournir des solutions de substitution impliquant des métaux plus abondants ou des combinaisons moins coûteuses, voire moins toxiques, sans nuire à l'efficacité du procédé. Les métaux de la 1re période du bloc d (Fe, Co, Ni, Cu, Zn) beaucoup moins coûteux seront les clés de cette stratégie. C'est du côté de la chimie du fer, du cuivre et du zinc que se situent les pistes les plus avantageuses. Malgré une toxicité potentielle, le nickel et le cobalt sont également des métaux intéressants.

En ce qui concerne la valorisation des molécules biosourcées par catalyse hétérogène, les métaux nobles, seuls ou en combinaison bimétallique, sont performants en oxydation ménagée de sucres ou de polyols, en hydrogénation sélective d'acides carboxyliques ou d'alcynes, etc. Si les oxydations ménagées peuvent s'effectuer avec des catalyseurs de type oxydes, l'hydrogénation doit mettre en jeu un catalyseur métallique à l'état réduit, sélectif et stable sous réaction. C'est du côté des combinaisons des métaux de la 1re période que peut se situer la solution : combinaisons de ces métaux entre eux (Ni/Fe, Co/Fe...) ou ajout d'éléments du bloc p (Sn, Sb, Al...). Côté catalyse homogène, la mise au point de catalyseurs à base de métaux de transition et du groupe principal, non dérivés de métaux précieux, est un domaine de compétition internationale intense. Le cuivre et le fer ont déjà montré leur efficacité dans les domaines de la réduction (hydrogénation, hydrosilylation), des couplages croisés, voire de la catalyse asymétrique. Les chimies de coordination et organométallique ont des atouts pour développer de nouveaux catalyseurs moléculaires bien définis à base de Fe, de Co, de Cu, de Mn, de Zn... plus efficaces et surtout sélectifs par rapport aux systèmes catalytiques générés in situ à partir de sels métalliques potentiellement pollués par des impuretés. Autre exemple des enjeux de substitution dans le domaine du photovoltaïque à couches minces, la substitution de l'indium par Sn ou Zn est aussi un enjeu de filière couche mince important.

D. Durabilité des matériaux

Les pertes de matière, de propriétés ou de fiabilité sous contraintes sont un problème universel pour les chimistes, particulièrement dans les zones interfaciales (environnement/matériau). Dans le cadre de la section, on peut penser à la photodégradation de systèmes moléculaires, au vieillissement des catalyseurs sous réaction, à la corrosion des métaux et aux questions connexes de la régénération de ces systèmes et de leur cycle de vie. L'interface est un lieu d'échange et d'évolution des propriétés. La gestion des économies d'atomes et des bilans énergétiques dans ces zones est un défi permanent. Les évolutions de ces systèmes sont également des phénomènes multi-échelles qui impliquent des structures complexes : multi-matériaux, composites, matériaux granulaires, etc.

La dégradation des interfaces implique les processus de (photo)vieillissement, de (bio-) corrosion, d'usure, etc. Une protection efficace impose de considérer les processus de corrosion/passivation à travers l'enchaînement des processus « du nm au m » et « de la seconde à l'an ». Pour ce faire, la compréhension et le contrôle des phénomènes imposent des évolutions méthodologiques spécifiques.

Une force des recherches effectuées en France sur le thème de la corrosion et de la passivation des métaux, alliages, semi-conducteurs ou oxydes tient dans son approche des phénomènes à l'échelle atomique sur des surfaces modèles (monocristallines étendues ou au nanomètre) pour les relier ensuite à des études à l'échelle micrométrique et à leur extension aux systèmes polyphasés pour enfin aboutir à l'application. La compréhension des mécanismes à l'échelle nanométrique et leurs manifestations à l'échelle macroscopique doivent aussi considérer le contexte tendu associé aux nouvelles normes environnementales qui bouleverseront les ingénieries chimiques actuelles et imposeront de trouver des solutions originales à partir de nouvelles approches conceptuelles qui feront évoluer les pratiques présentes en élaborations dans des domaines aussi différents que la catalyse, l'électronique, la métallurgie, etc. La dimension chimique associée aux phénomènes d'évolution des interfaces devra aussi mieux considérer les mécanismes associés aux phénomènes tribologiques pas assez couplés à la chimie des interfaces qui sont aussi à considérer dans la globalité des évolutions des interfaces.