Catalyse par des nanoparticules métalliques

La catalyse par des dérivés métalliques (complexes, sels ou surfaces) est un domaine de la chimie qui s’étend sur plusieurs spécialités comme la chimie de coordination, la chimie physique, la chimie organique et pour les applications la chimie des procédés.

La catalyse homogène se caractérise par le fait que le(s) substrat(s) est(sont) présent(s) dans la même phase que le catalyseur, le plus souvent une phase liquide (solvant). La possibilité de stabiliser par solubilisation des espèces intermédiaires très réactives combinées avec les propriétés électroniques des métaux de transition en général et des métaux nobles en particulier (Pd, Pt, Au, Rh, Ir) a permis le développement de centaines de réactions très sophistiquées, notamment dans le domaine de la chimie fine, conduisant à des produits à haute valeur ajoutée (principes actifs pharmaceutiques, phytosanitaires, cosmétiques, ingrédients pour la parfumerie, arômes alimentaires, précurseurs de matériaux high-tech…). Dans ce cas, le catalyseur doit être séparé des produits à l’issue de la réaction, ce qui nécessite une étape supplémentaire, pas toujours performante. Ces réactions se caractérisent par une grande sélectivité, des mécanismes réactionnels assez bien définis, mais une transposition à l’échelle industrielle se révèle complexe et parfois trop coûteuse. La majeure partie des réactions, pourtant très efficaces, développées à l’échelle du laboratoire ne franchit donc cette limitation que dans le cas de produits à très haute valeur ajoutée comme les principes actifs pharmaceutiques.

D’un autre coté, la catalyse hétérogène s’est développée initialement dans un contexte industriel pour les activités de raffinage des dérivés pétroliers (craquage, vapocraquage, reformage catalytique, isomérisation…) et se caractérise par le fait que le(s) substrat(s) est(sont) présent(s) dans une phase différente que le catalyseur, le plus souvent une phase fluide (liquide ou gaz) alors que le catalyseur est solide. Cette différence de phase permet une séparation aisée des produits et du catalyseur en fin de réaction et une très bonne recyclabilité de ce dernier. Cependant, la mise en contact du ou des substrat(s) avec le catalyseur est moins efficace et soumise à des barrières diffusionnelles. Des procédés en continu sont typiquement utilisés dans ce cas. Dans ce type de catalyse, les mécanismes réactionnels sont plus difficiles à appréhender, de par la complexité du matériau catalytique avec la présence de nombreux sites catalytiques potentiels et la difficulté à observer ceux-ci par des méthodes spectroscopiques, par exemple. La sélectivité n’est par conséquent pas toujours au rendez-vous, et ce type de catalyse a ainsi été développé pour des applications où celle-ci n’est pas requise, c’est-à-dire soit pour du raffinage de mélanges, soit pour des substrats simples, par exemple monofonctionnels. La majeure partie des réactions de la catalyse hétérogène portent ainsi sur la production de larges volumes de petites molécules à faible valeur ajoutée (grands intermédiaires et produits de commodités).

Il existe un fossé scientifique, et parfois même culturel (académique versus industriel), entre catalyse homogène et catalyse hétérogène que de nombreux chimistes s’efforcent de combler. La manière la plus naturelle de fusionner ces deux types de catalyse qui ait été étudiée a donc consisté en l’attachement de catalyseurs homogènes (solubles) à des supports solides (insolubles) par des méthodes de physisorption (attachement non covalent par adsorption par exemple) ou de chimisorption (création d’une liaison covalente entre le support et le catalyseur) . Cette approche est toutefois rendue parfois complexe par les risques de décrochage du catalyseur (phénomène de leaching), de sa désactivation ou de la difficulté à établir ce lien covalent, en général plutôt avec un ligand ou un contre-ion dans le cas de catalyseurs métalliques.

Il est donc toujours pertinent de rechercher des alternatives pour créer le catalyseur idéal qui serait à la fois performant et sélectif, donnerait accès à des molécules élaborées et serait parfaitement recyclable, peu ou pas toxique et abondant .

C’est dans ce contexte que les nanoparticules métalliques, qui font l’objet de cet article, ont été étudiées, ces dernières pouvant répondre à ce cahier des charges par leur état physique et leur comportement physique et chimique particulier .