Transformation de la biomasse lignocellulosique brute en glycols et dérivés aminés : conception de catalyseurs, et études de réactivité

Transformation of raw lignocellulosic biomass into glycols and amino derivatives : design of catalysts, and reactivity studies

• Auteur / Autrice : Joseph Boulos
• Direction : Sébastien Royer, Jérémy Dhainaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 11/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide
• Jury : Président / Présidente : Laurence Pirault-Roy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierrick Gaudin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabien Can, Nathalie Tanchoux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogénolyse

Metal-organic frameworks

Carbures des métaux de transition

Dérivés

Amines

Synthèse (chimie)

Glycols

Produits biosourcés

Biomasse

Lignocellulose

Catalyse hétérogène

Mots clés libres

Catalyse hétérogène

Synthèse des matériaux

Produits biosourcés

Charbons azotés

Bioprocédés

Heterogeneous catalysis

Material synthesis

Biosourced products

Résumé

Les travaux effectués lors de cette thèse s'incluent dans le projet CatReMo financé par l'ANR (ANR-19-CE43-0005), et coordonné par l'IRCELYON et réalisé en partenariat avec le laboratoire CP2M. Le projet traite de la conversion de lignocellulose brute en présence de catalyseurs hétérogènes. Les molécules ciblées sont des amines dérivées de glycols. L'objectif est d'étudier leur synthèse directement à partir de lignocellulose ou via une étape intermédiaire de formation de glycols. Les glycols et les amines sont actuellement produits à grande échelle par la pétrochimie. Les procédés de production impliquent de nombreuses étapes et l'utilisation de produits toxiques, comme l'oxyde d'éthylène, générant une grande quantité de déchets.La biomasse lignocellulosique est composée de trois biopolymères hautement fonctionnalisés. Les sucres libérés par l'hydrolyse de ces derniers peuvent être sélectivement transformés en glycols par des réactions d'hydrogénolyse. La littérature indique que des catalyseurs bifonctionnels à base de carbures métalliques Ni-WxC/AC sont efficaces dans des conditions hydrothermales et sous atmosphère réductrice adéquate. En revanche l'amination directe de la biomasse par des réactions d'aminolyse réductrice reste pour l'instant un défi.L'équipe MATCAT à l'UCCS est spécialisée dans la synthèse de matériaux poreux et des nanoparticules supportées pour des applications dans la catalyse hétérogène. Ils étudient également l'utilisation de charbons azotés biosourcés ainsi que les MOFs comme support de catalyseurs et adsorbants. L'équipe C'DURABLE à IRCELYON mène depuis de nombreuses années des recherches sur la valorisation de la lignocellulose et de produits biosourcés par catalyse hétérogène. Une spécificité de ce groupe est notamment l'utilisation de carbure métalliques pour la transformation des molécules issues de biomasses. Dans ce contexte, nous apportons ici notre contribution à la transformation de biomasse lignocellulosique en glycols et dérivés aminés par des catalyseurs à base de carbures de tungstène supportés sur charbons azotés ou bien préparés à partir de précurseurs MOFs.Ces travaux ont été l'occasion d'approfondir les connaissances sur la préparation, la caractérisation et la réactivité de ces matériaux. Ceci a été réalisé par l'étude de l'effet du mode de préparation sur la composition et les caractéristiques du catalyseur puis par corrélant ces propriétés à la transformation de la cellulose.

The work carried out during this thesis is a part of a general research project, CatReMo, funded by the French National Research Agency (ANR), and carried out in partnership with IRCELYON and CP2M laboratories. It relates to the conversion of raw lignocellulose in the presence of heterogeneous catalysts. The targeted molecules are amines derived from glycols. The objective is to study their synthesis directly from lignocellulose or via an intermediate step of formation of glycols.Glycols and amines are produced on a very large scale by petrochemical industry. The production processes involve many steps and the use of toxic products generating a large amount of waste. The robust lignocellulosic biomass is composed of three highly functionalized biopolymers. The sugars released by the hydrolysis of the latter can be selectively transformed into glycols by hydrogenolysis reactions. The literature indicates that bifunctional catalysts based on metal carbides Ni-WxC/AC are effective under hydrothermal conditions and under suitable reducing atmosphere. On the other hand, the direct amination of biomass by reductive aminolysis reactions remains a challenge for the moment.The MATCAT team at UCCS specializes in the synthesis of hierarchical materials and supported or unsupported nanoparticles for applications in heterogeneous catalysis, in particular nitrogen doped carbons as well as metal-organic frameworks (MOFs). The C'DURABLE team at IRCELYON has been conducting research for many years on the valorization of lignocellulose and biosourced products by heterogeneous catalysis, including the use of metal carbides, for the transformation of molecules derived from biomass. In this context, we report here our contribution to the transformation of lignocellulosic biomass into glycols and amino derivatives by catalysts based on innovative supported tungsten carbides from nitrogen doped carbons and MOFs.This work was an opportunity to deepen our knowledge on the preparation, characterization and reactivity of these types of materials. This was achieved by studying the effect of the method of preparation on the composition and characteristics of the catalyst and then by correlating these data to the transformation of cellulose.