Les matériaux poreux réactifs


Les thématiques de recherche de notre équipe recouvre la synthèse de matériaux polymères poreux et leurs applications à tous les domaines du développement durable (catalyse hétérogène, biocapteurs, filtres à particules, dépollution, chimie verte, etc.).


Mots-clefs :

polymères poreux, chimie supportée, catalyse hétérogène, émulsions concentrées, matériaux microcellulaires, chimie verte, matériaux renouvelables, liquides ioniques


1.1. Génération de la porosité par séparation de phase

Notre premier axe de recherche concerne la préparation de supports polymères fonctionnalisés par séparation de phase et leur utilisation en chimie supportée multi-étapes et en extraction sélective liquide-solide. La génération de micro- et mésoporosité dans un réseau polymérique a été effectuée sur différents systèmes ; quelques réalisations sont succinctement détaillées ci-après :

- la synthèse des réactifs organosilylés diversement fonctionnalisés sur supports polymères et de les utiliser pour réaliser des synthèses multi-étapes en phase solide. Dans notre méthodologie, l’atome de silicium a un double rôle. Tout d’abord, il sert de point d’ancrage du substrat sur le support, enfin il constitue un groupe hydroxyle masqué puisqu’au moment du décrochage de la cible il est possible d’introduire une fonction hydroxyle supplémentaire par oxydation du groupement silylé.

- la mise au point d’un procédé de réduction du pouvoir de combinaison des vins blancs liquoreux par une méthode d’extraction sélective liquide-solide. Ceci afin d’anticiper le durcissement prévisible des normes concernant la teneur en anhydride sulfureux tolérée dans les vins. Ce procédé a été breveté. La doctorante porteuse du projet, Mélanie BLASI a été lauréate du Concours national d’aide à la création d’entreprises de technologies innovantes dans la catégorie « en émergence » en 2006. Les travaux se poursuivent en vue d’améliorer les performances du procédé afin de l’exploiter à l’échelle commerciale.

- le développement, en collaboration avec un grand groupe industriel français, d’un réacteur de catalyse hétérogène en continu expérimental en vue de remplacer, à terme, le procédé homogène actuellement employé. Les résultats très encourageants ont été obtenus justifiant le dépôt d’un brevet par la société

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Image MEB d’une bille de polystyrène-co-divinylbenzène poreux obtenue par polymérisation de la phase continue d’une émulsion inverse concentrée
(porosité totale : 90 %)


1.2. Génération de la porosité via les émulsions concentrées

Un deuxième centre d’intérêt de l’équipe concerne la préparation de matériaux polymères poreux à porosité hiérarchisée par polymérisation de la phase continue d’une émulsion concentrée. Cette approche permet d’obtenir des matériaux monolithiques poreux microcellulaires de structure tout à fait originale appelés polyHIPEs. Ces polyHIPEs ont fait l’objet de nombreuses applications.

Une partie de nos plus récents travaux dans ce domaine sont décrits brièvement ci-dessous :

- L’étude de la croissance in situ de nanoparticules métalliques sur des matériaux polymères microcellulaires interconnectés synthétisés au laboratoire. Les matériaux hybrides ainsi obtenus ont ensuite été utilisés comme catalyseurs supportés dans des réactions telles que les hydrogénations ou les créations de liaison carbone-carbone par couplage.

- La préparation de filtres à aérosols à base de mousses microcellulaires préparées à partir d’émulsions inverses concentrées possédant une structure alvéolaire connectée très différente de celle des filtres fibreux ou particulaires actuellement utilisés. Ce sujet d’étude a eu pour conséquences de mettre en évidente l’intérêt de tels matériaux dans le domaine de la filtration des particules.

- Le potentiel de nouvelles phases absorbantes poreuses à hautes surfaces spécifiques à base de polydiméthylsiloxane (PDMS) préparée par la technique des émulsions inverses concentrées dans le cadre de la détection directe des hydrocarbures aromatiques dans l’air (BTX).

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© CNRS Photothèque/ISM / DELEUZE Hervé, BIROT Marc
Image MEB d’un monolithe de poly(alkyl)siloxane poreux obtenu par réaction d’hydrosilylation de la phase continue d’une émulsion concentrée
(porosité totale : 85 %)


- La synthèse et la caractérisation de matériaux organique-inorganiques hybrides microcellulaires basés sur le processus sol-gel pour des applications dans le domaine de la catalyse. La macroporosité, générée par l’utilisation d’une émulsion concentrée directe a été combinée avec une micro et une mésoporosité dans les parois en utilisant des précurseurs micellaires. Les résultats obtenus sont très prometteurs et un brevet d’invention relatif à ces résultats vient d’être déposé. Des applications de ces matériaux dans le domaine de la catalyse sont en cours d’étude.


1.3 Valorisation de la biomasse en chimie des matériaux poreux

La substitution des polymères issus des ressources fossiles par des matières premières issues de ressources renouvelable, en particulier végétales, représente un enjeu majeur de la chimie du futur. Dans ce cadre, nous avons entrepris d’étendre les techniques de génération de la porosité précédemment mise au point sur les polymères synthétiques à la valorisation de déchets de l’industrie papetière.

Ainsi des billes sphériques de lignine Kraft ont été obtenues par polymérisation en suspension. Ces matériaux pourraient être des alternatives aux résines polystyrènes actuellement largement utilisées dans de nombreux domaines.

La technique de génération de macroporosité à l’aide d’émulsions concentrées (technique polyHIPE) est également en cours de développement à partir de résidus papetiers de faible valeur (liqueur noire). Les applications envisagées sont les carbones monolithiques macro/microporeux pour des applications dans le stockage de l’énergie ainsi que les supports catalytiques.

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Image de billes de lignine Kraft industrielles (Ø =0,5-1 mm)


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Image MEB d’un monolithe poreux obtenu par réaction de réticulation de la liqueur noire constituant la phase continue d’une émulsion concentrée (porosité totale : 65 %)


Publications

Personnes impliquées :
Hervé Deleuze
Marie-Anne Dourges
Anne Thienpont




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