Les catalyseurs sont des matériaux clés dans la société moderne, permettant la conversion sélective des matières premières en produits de valeur tout en réduisant les déchets et en économisant de l'énergie. En cas de réactions de déshydrogénation oxydante d'importance industrielle, les systèmes catalytiques les plus connus sont à base de métaux de transition tels que le fer, vanadium, molybdène ou argent. En raison des inconvénients intrinsèques liés à l'utilisation de métaux de transition, comme un événement rare, procédés miniers nocifs pour l'environnement, et la toxicité, le fait que le carbone pur présente une activité catalytique dans ce type de réaction et a donc un potentiel élevé en tant que matériau de substitution durable est d'un grand intérêt.

À ce jour, le développement de catalyseurs à base de carbone pour les réactions de déshydrogénation oxydante peut être divisé en deux générations. La première génération de catalyseurs au carbone a été inspirée par la découverte de l'activité catalytique des dépôts de coke sur des catalyseurs à base de métal pour la déshydrogénation oxydante. Ensuite, principalement des matériaux carbonés amorphes tels que le charbon actif ou le noir de carbone ont été étudiés. Bien que ces premiers catalyseurs aient montré une activité et une sélectivité significatives, ils souffraient d'une stabilité à l'oxydation insuffisante et ont ensuite été remplacés par la deuxième génération de catalyseurs de déshydrogénation à base de carbone représentée par les nanomatériaux de carbone, par exemple. nanotubes de carbone. L'avantage des nanocarbones par rapport aux catalyseurs amorphes de première génération tient principalement à leur microstructure cristalline, qui est d'une part responsable d'une résistance à l'oxydation adéquate et permet d'autre part des activités redox élevées. Comme les nanocarbones manquent de porosité interne, ces sites actifs sont situés sur la surface externe, les rendant facilement accessibles aux réactifs. Cependant, les nanocarbones présentent des inconvénients lors de la manipulation sous forme de poudre et de lits fixes ou des risques sanitaires peu clairs et sont donc toujours en attente d'une application industrielle en tant que matériau catalytique.

Compte tenu du potentiel élevé des catalyseurs au carbone dans les réactions de déshydrogénation oxydante, le groupe de recherche du professeur Bastian J. M. Etzold travaille depuis plusieurs années sur la synthèse de nouvelles classes de carbone dans le but de transférer les excellentes propriétés catalytiques des nanocarbones aux classiques, matériaux en carbone faciles à manipuler. Dès 2015, il a été montré que les carbones dérivés du carbure peuvent en principe être utilisés pour obtenir des propriétés catalytiques similaires à celles des nanomatériaux de carbone. Cependant, étant donné que les carbones dérivés des carbures ne sont que des matériaux modèles à des fins de recherche en raison de leur synthèse complexe, l'objectif de recherche fondamentale consistant à développer une voie synthétique évolutive et reproductible vers des catalyseurs au carbone techniquement utiles est resté. En collaboration avec le professeur Wei Qi du Laboratoire national de science des matériaux de Shenyang à Shenyang, RP Chine, ainsi que le professeur Jan Philipp Hofmann du Surface Science Laboratory de la TU Darmstadt, Félix Herold, un doctorat étudiant dans le groupe Etzold, a aujourd'hui réussi à synthétiser une nouvelle génération de catalyseurs carbonés supérieurs aux nanocarbones à bien des égards.

La synthèse des nouveaux catalyseurs au carbone est basée sur des précurseurs de carbone polymères qui peuvent être produits par une voie de synthèse reproductible et facilement évolutive tout en offrant un excellent contrôle de la morphologie du carbone suivant. Par graphitisation catalytique, il a été démontré que lors de la pyrolyse du précurseur polymère, des cristallites de graphite à l'échelle nanométrique pourraient être cultivés dans la matrice de carbone. Fondamentale dans ce contexte semble être la présence de grands domaines conjugués (graphitiques) caractérisés par une forte densité de sites de défauts, où l'oxygène se groupe en surface, tels que les groupes carbonyle cétoniques, sont créés au cours de la réaction. L'activité de ces groupes de surface semble être augmentée par les domaines conjugués voisins (graphitiques), qui peut servir de stockage d'électrons. La graphitisation catalytique donne un matériau hybride amorphe/graphitique constitué des cristallites de graphite préalablement développés entourés d'une matrice de carbone amorphe. Pour obtenir un catalyseur actif de déshydrogénation, la matrice de carbone amorphe est éliminée par oxydation sélective, ouvrir la structure des pores du matériau carboné et fournir l'accessibilité aux domaines de graphite catalytiquement actifs.

La déshydrogénation oxydante de l'éthanol a été choisie comme réaction test d'un grand intérêt pratique puisqu'elle assure un lien catalytique entre le bioéthanol, qui peut être facilement obtenu à partir de ressources renouvelables, et l'acétaldéhyde, un intermédiaire important dans la chimie industrielle actuelle. Par rapport à un catalyseur de nanotubes de carbone de référence, des rendements espace-temps jusqu'à 10 fois supérieurs pourraient être obtenus avec la nouvelle classe de matériaux carbonés.

Les nouveaux catalyseurs au carbone présentés dans ce travail sont d'une grande importance, en ouvrant la porte à une nouvelle classe de matériaux, dont le potentiel reste à évaluer en raison des multiples possibilités d'optimisation de la voie synthétique flexible. En plus de l'utilisation de la nouvelle classe de catalyseurs au carbone dans la déshydrogénation oxydante d'autres substrats pertinents, tels que les alcanes et autres alcools, il est également prévu que le champ d'application soit étendu à l'électro- et à la photocatalyse.