Nanoplaquettes de graphène dopées à l’azote comme support du Ru pour la conversion de la cellobiose en sorbitol

Details

Supervisors

Debecker, Damien P. ; Hermans, Sophie

Faculty

Faculté des bioingénieurs

Degree label

Master [120] : bioingénieur en chimie et bioindustries

Abstract

Ce travail s’inscrit dans le contexte général du bioraffinage de seconde génération qui exploite la lignocellulose comme matière première. La biomasse de type lignocellulosique est constituée de différents biopolymères dont la cellulose est le plus abondant. La valorisation de la cellulose en sorbitol, une molécule plateforme très polyvalente, rencontre un grand intérêt. Cette conversion nécessite deux étapes : une hydrolyse et une hydrogénation. Dès lors, la majorité des systèmes catalytiques étudiés pour cette transformation se composent d’un support acide pour l’hydrolyse et d’un métal supporté, majoritairement le Ru, pour l’hydrogénation. L’objectif de ce travail est l’étude de catalyseurs Ru/C à caractère basique. Notre motivation à étudier la fonctionnalisation basique vient du fait que les sites basiques, une fois introduit dans la structure du carbone, pourraient favoriser une meilleure activité du métal. Le potentiel des nanoplaquettes de graphène, un support de carbone encore peu répandu, a été exploré au travers de deux supports commerciaux de qualités différentes : les GNPs C750 et les GNPs M15. Ces supports sont un bon compromis entre le graphène et le graphite en termes de qualité et de coût. Le dopage à l’azote est un moyen efficace d’introduire des sites basiques dans la structure du carbone. Pour ce faire, un ancrage de l’éthylènediamine suivi d’un traitement à haute température permet la formation de sites basiques forts. Avec la méthode sélectionnée, des fonctions azotées ont été introduites dans la structure des supports, résultant en une augmentation de la basicité, ce qui a été confirmé par XPS et titrages de Boehm. Les GNPs C750 ont permis d’atteindre des basicités supérieures ainsi que de meilleurs résultats lors de la déposition des nanoparticules de Ru. L’influence des sites basiques sur la dispersion et la cristallinité des nanoparticules a été mise en évidence par XPS et DRX. Les performances des catalyseurs synthétisés ont ensuite été évaluées lors de tests catalytiques et d’études cinétiques. Pour cela, la cellobiose (un dimère de glucose) est utilisée comme modèle soluble de la cellulose. Au travers d’une comparaison de catalyseurs fonctionnalisés et non fonctionnalisés, les cinétiques démontrent les effets positifs des sites basiques sur l’activité du Ru. Outre les effets sur l’ancrage et la dispersion du Ru, ces sites pourraient également influencer l’adsorption des réactifs et la distribution électronique dans les nanoparticules. Les bonnes performances de notre meilleur catalyseur ont également été soulignées par comparaison avec des catalyseurs de Ru déposé sur d’autres supports. Enfin, l’immobilisation d’enzymes sur les GNPs C750 a été testée et seul le support non modifié s’est révélé efficace pour immobiliser les enzymes tout en conservant une bonne activité enzymatique. L’immobilisation covalente sur les supports fonctionnalisés ne s’est pas montrée concluante, ce que nous expliquons par des effets d’encombrement stérique, de limitations diffusionelles et de pH.