Préparation de catalyseurs Ni-Fe supportés sur carbone pour l'hydrogénation sélective du glucose en sorbitol

Dans le contexte actuel de changement climatique et de durabilité, l’utilisation de ressources renouvelables fait l’objet de nombreuses recherches dans l’optique du remplacement des énergies fossiles. L’utilisation de biomasse renouvelable provenant de déchets organiques représente une alternative prometteuse pour la production de biocarburants et de produits chimiques à haute valeur ajoutée. C’est dans ce contexte qu’évolue ce projet sur l’hydrogénation sélective du glucose en la molécule plateforme qu’est le sorbitol. Cette réaction est catalysée à l’heure actuelle à l’aide de métaux nobles tel que le ruthénium. Ces métaux étant rares, couteux et pour la plupart toxiques, les recherches actuelles tendent à les remplacer par des métaux non-nobles. Ainsi, le but de ce mémoire était de préparer des catalyseurs bimétalliques à base de fer et de nickel supportés sur matériaux carbonés. À cet effet, trois voies de synthèse ont été explorées. Les deux premières méthodes sont le procédé sol-gel Pechini et une variante de celui-ci, où le support carboné est dispersé dans un gel de polymère de coordination avant d'être traité thermiquement. La troisième méthode est une imprégnation à sec ayant pour but de forcer l’incorporation des précurseurs métalliques à l’intérieur de la porosité du support carboné par effet de capillarité. Quatre supports carbonés tel que le noir de carbone ont également été utilisés et comparés afin d’obtenir un catalyseur actif et stable dans le milieu réactionnel. Les catalyseurs obtenus ont été caractérisés par DRX, spectroscopie de photoélectrons X et par ICP. Les résultats ont permis de déterminer la composition des nanocomposites, qui consiste dans la plupart des cas en un alliage Fe-Ni, le rapport métal/carbone déposé ainsi que la taille et la distribution des nanoparticules, et de comparer les trois méthodes de synthèse et les quatre supports carbonés, afin de sélectionner les combinaisons prometteuses. Enfin, ces catalyseurs ont été testés dans la réaction d’hydrogénation du glucose en réacteur batch. Les solutions après réaction ont été analysées par HPLC permettant ainsi de déterminer le pourcentage de conversion du glucose et glucose converti en sorbitol durant la réaction catalytique. La concentration en fer et nickel dans les solutions après réaction a également été mesurée afin de déterminer la lixiviation de ces métaux au cours de la réaction et donc la stabilité des catalyseurs. Les meilleurs résultats ont été obtenus par méthode sol-gel modifiée, sur CB et/ou en utilisant des précurseurs avec des ligands phosphines. In the current context of climate change and sustainability, the use of renewable resources is the subject of considerable research to replace fossil fuels. The use of renewable biomass from organic waste represents a promising alternative for the production of biofuels and high value-added chemicals. It is in this context that this project on the selective hydrogenation of glucose into the platform molecule sorbitol is evolving. This reaction is currently catalyzed using noble metals such as ruthenium. As these metals are rare, expensive and mostly toxic, current research is tending to replace them with non-noble metals. Thus, the aim of this master thesis was to prepare bimetallic catalysts based on iron and nickel supported on carbon materials. To this end, three synthesis routes were explored. The first two methods are the Pechini sol-gel process and a variant of it, where the carbonaceous support is dispersed in a coordination polymer gel before being heat treated. The third method is a dry impregnation to force the incorporation of metal precursors into the porosity of the carbon support by capillary action. Four carbon supports such as carbon black were also used and compared in order to obtain an active and stable catalyst in the reaction medium. The catalysts obtained were characterized by DRX, X-ray photoelectron spectroscopy and ICP. The results made it possible to determine the composition of the nanocomposites, which in most cases consists of an Fe-Ni alloy, the metal/carbon ratio deposited and the size and distribution of the nanoparticles, and to compare the three synthesis methods and the four carbon supports in order to select promising combinations. Finally, these catalysts were tested in the glucose hydrogenation reaction in a batch reactor. The post-reaction solutions were analyzed by HPLC to determine the percentage conversion of glucose and glucose converted to sorbitol during the catalytic reaction. The concentration of iron and nickel in the post-reaction solutions was also measured to determine the leaching of these metals during the reaction and thus the stability of the catalysts. The best results were obtained by modified sol-gel method, on CB and/or using precursors with phosphine ligands.