ANR MNP@CCM

Résumé

L’incorporation de nanoparticules métalliques (MNP) dans les noyaux hydrophobes de micelles polymères amphiphiles réticulées (CCM) constitue un concept innovant pour la nanocatalyse biphasique aqueuse, car elle combine des conditions de réaction « homogènes » avec une récupération « hétérogène » du catalyseur (voir les références ci-dessous). Les CCM forment des dispersions aqueuses stables tandis que la transformation catalytique se produit au sein du cœur « homogène » de la micelle polymère réticulée et que la séparation produit/catalyseur s’effectue par simple décantation de phase. Les activités et sélectivités obtenues avec des nanoparticules métalliques (MNP) dispersées dans un milieu organique peuvent permettre la conception de nouvelles CCM basées sur l’ingénierie du cœur pour des réactions d’hydrogénation ou d’hydrogénolyse/hydrodésoxygénation biphasiques aqueuses. Une attention particulière sera accordée aux enjeux de recyclage et de durabilité (augmentation de l’efficacité de l’utilisation des métaux, en particulier du métal noble Rh).

Le projet ANR MNPatCCM vise à optimiser les performances de ces nanoréacteurs catalytiques à base de nanoparticules de Rh et de Ni ancrées dans des noyaux de CCM fonctionnalisés par des ligands pour des réactions d’hydrogénation et d’hydrogénolyse/hydrodésoxygénation. Les ligands d’ancrage dans les CCM peuvent être introduits à l’aide de versions polymérisables des stabilisants moléculaires précédemment étudiés dans des dispersions colloïdales organiques. L’effet de l’ajout de base sera étudié afin de déterminer l’intérêt d’intégrer un tel promoteur dans la structure des CCM pour orienter l’activation de l’hydrogénation et améliorer les performances catalytiques. Après avoir amélioré les performances catalytiques des nanoréacteurs chargés en Rh, la stratégie de synthèse sera étendue à des sytèmes à base de Ni, un métal abondant. Cela permettra de répondre à un enjeu majeur de la catalyse, à savoir le remplacement des métaux nobles par des métaux moins critiques en termes d’abondance et de coût. Le criblage des substrats et l’optimisation des conditions s’appuieront sur des méthodes adaptées pour déterminer la pertinence des meilleurs catalyseurs à l’échelle industrielle. L’objectif final sera de réaliser une analyse économique et une analyse du cycle de vie pour les réactions catalytiques les plus prometteuses avec des substrats présentant un intérêt industriel.

Travaux précédents :

• Rhodium nanoparticles inside well-defined unimolecular amphiphilic polymeric nanoreactors: synthesis and biphasic hydrogenation catalysis, H. Wang, A. M. Fiore, C. Fliedel, E. Manoury, K. Philippot, M. M. Dell’Anna, P. Mastrorilli, R. Poli, Nanoscale Advances, 2021, 3, 2554-2566 (https://doi.org/10.1039/D1NA00028D).
• Confinement of Rh nanoparticles in triphenylphosphine oxide-functionalized core-crosslinked micelles for aqueous biphasic hydrogenation catalysis, C. J Abou-Fayssal, C. Fliedel, R. Poli , A. Riisager, K. Philippot, E. Manoury, Materials Today Chemistry, 2023, 34, 101752 (https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2023.101752).
• Polymeric nanoreactors for catalytic applications, C. J. Abou-Fayssal, R. Poli, K. Philippot, A. Riisager, E. Manoury, CR Chimie, 2024, 27, 1-23 (https://doi.org/10.5802/crchim.301).
• One-pot synthesis of Rh nanoparticles in polycationic-shell, triphenylphosphine oxide-functionalized core-crosslinked micelles for aqueous biphasic hydrogenation, C. J. Abou-Fayssal, L. Schill, R. Poli*, E. Manoury, K. Philippot, A. Riisager, ChemCatChem, 2024, e202400189 (7 of 10) (https://doi.org./10.1002/cctc.202400189).
• Rh nanoparticles confined in triphenylphosphine oxide-functionalized core-crosslinked micelles with a polyanionic shell: synthesis, characterization, and application in aqueous biphasic hydrogenation, C. J. Abou-Fayssal, L. Schill, R. Poli, A. Riisager, E. Manoury, K. Philippot, Reactive and Functional Polymers 2024, 205, 106061 (https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2024.106061).

Schéma général de la catalyse biphasique en milieu aqueux avec des nanoréacteurs CCM et hypothèse de travail

Fig. 1. Catalyse biphasique aqueuse avec des nanoréacteurs CCM (à gauche). Mécanisme d’action possible d’un promoteur basique pour l’activation de H₂ par une nanoparticule (MNP) (à droite).

Consortium du projet et lots de travail

Le consortium du projet MNPatCCM est composé de trois partenaires, dont deux groupes du Laboratoire de Chimie de Coordination de Toulouse (LCC-CNRS, UPR 8241, Toulouse) :

– l’équipe « Ingénierie des nanoparticules métalliques » (LCC-EMN ; partenaire n° 1), avec Nuria Romero et Karine Philippot,

– l’équipe « Ligands, architectures complexes et catalyse » (LCC-LCAC ; partenaire n° 2), avec Eric Manoury et Rinaldo Poli

et, en tant que troisième partenaire, Lionel Magna et Juan Manuel Asensio Revert, du département de catalyse de l’IFP Energies Nouvelles (IFPEN) à Lyon.

D’une durée prévue de 42 mois (1er octobre 2024 – 31 mars 2028), le projet s’articule autour de trois lots de travail scientifiques interdépendants (WP2-4), répartis entre les partenaires en fonction de leurs compétences. Il est coordonné par Karine Philippot (LCC-EMN ; partenaire n° 1).

Jeunes chercheurs impliqués

LCC-P1: Chantal Abou Fayssal (Postdoctorante; Mars 2025; 30 mois); sous la supervision de K. Philippot et N. Romero et Zeineb Jeridi (Stagiaire; INSAT Tunis; Février 2026; 6 mois)

LCC-P2: Mohammad Zaitoun (Doctorant; Octobre 2025; 36 mois), sous la supervision de Eric Manoury (PhD director) et Rinaldo Poli.

IFPEN-P3: Zachary Sachiel Dubrawski (postdoc; Decembre 2025; 18 mois), sous la supervision de Lionel Magna (LM) et Juan-Manuel Asensio Revert (JMAR)

Deux étudiants de Master rejoindront les partenaires LCC-P2 et IFPEN-P3 en 2027.