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Chimie et procédés pour un développement durable (CP2D)
Edition 2008


CO2 GREEN


Le dioxyde de carbone : une source de carbone durable pour les procédés de synthèse catalysés par des complexes de métaux de transition - Carbon dioxide as a green carbon source in transition metal catalyzed synthesis

Le dioxyde de carbone (CO2) source de carbone durable pour les procédés industriels de synthèse
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La catalyse de réduction du CO2 : une solution à fort potentiel pour valoriser le CO2
La raréfaction et l’augmentation des coûts des matières fossiles (pétrole) nécessitent la découverte de nouvelles matières
premières carbonées et la mise au point de procédés industriels novateurs. L’une des sources de carbone alternative
largement disponible, ayant l'avantage d'être ininflammable, non toxique et bon marché est le CO2. Compte tenu de sa
stabilité, sa transformation en molécules carbonées plus réactives nécessite un important apport d’énergie qui peut être
largement minimisé à l’aide de procédés catalytiques. Dans ce contexte, la réduction catalytique du CO2 apparait
comme une solution à fort potentiel pour convertir le CO2 en produits de base pour l’industrie chimique (ex. le
monoxyde de carbone pour la réaction d’hydroformylation). L’énergie nécessaire à ce procédé peut être fournie par
l’énergie solaire (photo catalyse), électrique (électrocatalyse) voir par les deux (photo-électrocatalyse). Pour développer
de tels procédés de nouveaux catalyseurs moléculaires, de type complexes métalliques, répondant à un certain nombre
d’impératifs tels qu’un faible coût et une faible toxicité, ont été développés.

Le CO2 matière première source de carbone durable
La réaction d'hydroformylation qui consiste à faire réagir un composé oléfinique avec le mélange monoxyde de carbone
(CO) et hydrogène (H2) sous pression, est actuellement un des meilleurs exemples de catalyse homogène à l’échelle
industrielle utilisant l'activation catalytique par des métaux de transition (Rh, Co). Dans ce contexte, il a été montré à
l’échelle du laboratoire que la réduction du CO2 pouvait être couplée à la réaction d'hydroformylation et produire des aldéhydes, réactifs de base, pour la préparation d’alcools, esters, acides, amines ... Ainsi, le programme de recherche
fondamentale de ce projet est relatif à la combinaison de la réduction du CO2 en CO avec d'autres procédés
catalytiques. Le but ultime est de remplacer le CO matière première, par le CO2 en concevant de nouveaux catalyseurs
moléculaires efficaces, de type métallique, et susceptibles d'ouvrir de nouvelles voies de catalyse. La démarche suivie
dans ce projet a consistée, pour sa plus grande part, à évaluer les performances à l’échelle du laboratoire de deux des
procédés de réduction catalytiques cités plus haut en proposant de nouvelles molécules à propriétés catalytiques du
type complexe métalliques.

Résultats

Nous avons effectué la miss au point: (i) d’une combinaison de deux catalyseurs permettant l’hydroformylation d’oléfines à
partir du CO2 (ii) d’un photocatalyseur d’osmium efficace pour la photoréduction du CO2 ayant une activité similaire
et une meilleure stabilité que les dérivés bien connus du rhénium qui est lui un métal très rare (iii) d’un catalyseur à
base de manganèse (3ème métal de transition le plus abondant de la croûte terrestre : 0,2 % en poids) avec lequel
l’électroréduction du CO2 en CO est sélective et efficace et fonctionne à des surtensions modérées (consommation
énergétique raisonnable).

Perspectives

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Productions scientifiques et brevets

4 articles ont été publiés, un d’entre eux est multipartenaire et concerne la photocatalyse. Les résultats ont été
présentés à différents congrès internationaux ou nationaux, durant des workshops et des séminaires.

Partenaires

 UNIVERSITE GRENOBLE I [Joseph Fourier]

Aide de l'ANR 225 094 euros
Début et durée du projet scientifique - 36 mois

Résumé de soumission

Ce projet s’inscrit dans le cadre du programme franco-finlandais de cet appel d’offre ANR. L'utilisation des ressources renouvelables est devenue une nécessité pour l'industrie chimique et plus particulièrement celle dédiée à la chimie organique. L'épuisement et l'augmentation des coûts des matières fossiles conduisent à rechercher des matières premières carbonées alternatives ainsi que des procédés chimiques industriels novateurs. Le dioxide de carbone est à priori une source de carbone durable supplétive des matières premières fossiles, ayant l'avantage d'être naturellement abondant et bon marché, ininflammable et non toxique. En présence d'un catalyseur, le dioxyde de carbone peut réagir avec différents substrats pour produire des produits organiques à forte valeur ajoutée. Toutefois, le carbone étant sous sa forme la plus oxydée, l'obstacle majeur à l'utilisation du CO2 comme ressource verte reste son bas niveau d'énergie (stabilité). En conséquence, seuls quelques procédés industriels utilisent actuellement le CO2 comme matière première. Ainsi sa conversion en une forme plus réactive est indispensable et nécessite l'emploi de catalyseurs pour franchir les barrières énergétiques élevées stabilisant la molécule de CO2. Pour atteindre ce but, la réduction catalytique du CO2 apparait comme une méthode attractive. Cette réduction peut être réalisée par un processus électrochimique ou photo-catalytique, utilisant des catalyseurs à base de métaux de transition. Pour des raisons évidentes, les produits de cette réduction, comme le monoxyde de carbone, peuvent ensuite être utilisés dans d'importants procédés industriels tels que par exemple la carbonylation, les réactions de Fisher Tropsh ou d'hydroformilation.La réaction d'hydroformilation des alcènes, avec le mélange monoxide de carbone (CO) et hydrogène (H2), est actuellement un des meilleurs exemples commerciaux de catalyse homogène utilisant l'activation catalytique par des métaux de transition. Dans ce contexte, il a été démontré récemment que la réduction du CO2 pouvait être combinée à la réaction d'hydroformylation. Ainsi, le programme de recherche fondamentale que nous proposons est relatif à la combinaison de la réduction du CO2 avec d'autres procédés catalytiques. Le but ultime est de remplacer le CO, matière première, par le CO2 en concevant de nouveaux catalyseurs moléculaires efficaces, de type métallique, et susceptibles d'ouvrir de nouvelles voies de catalyse. Plusieurs approches seront envisagées, en particulier, l'utilisation de métaux de la 1ère ligne de la classification périodique des éléments, le développement de procédés photochimiques ou l'utilisation de milieux liquides ioniques.

 

Programme ANR : Chimie et procédés pour un développement durable (CP2D) 2008

Référence projet : ANR-08-CP2D-0005

Coordinateur du projet :
Monsieur Alain DERONZIER (UNIVERSITE GRENOBLE I [Joseph Fourier])

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.