La nature est une source d’inspiration et d’innovation inépuisable pour les scientifiques : preuve en est avec les travaux récemment publiés par Marco Daturi, professeur de chimie à l’Université de Caen et ses collègues français, coréen et japonais dans Advanced Materials. Ils se sont inspirés du fonctionnement d’enzymes pour élaborer des matériaux poreux de type MOFs (Metal-Organic Frameworks) capables de décomposer les oxydes d’azote (ou NOx), molécules particulièrement polluantes et toxiques, dans l’air à température ambiante.
S’il était déjà possible de diminuer leur présence en les captant à la source et en utilisant différents types de procédés de réduction et de catalyseurs (c’est ce qui se passe, par exemple, dans les pots catalytiques des voitures), ces derniers avaient plusieurs inconvénients, parmi lesquels une haute température de fonctionnement, ou encore un coût élevé.
Trouver le bon catalyseur
C’était donc un défi de taille qui attendait Marco Daturi et son équipe. « Le secret c’est de trouver le bon catalyseur », explique Marco Daturi, qui précise : « je ne suis pas le premier à avoir utilisé cette approche : une équipe japonaise avait déjà montré qu’il existait des catalyseurs efficaces en décomposition des NOx, sauf qu’ils ne fonctionnaient que quelques dizaines de secondes ». Et cela pour une raison simple : « ces matériaux s’empoisonnent par eux-mêmes par l’oxygène issu de la réaction de décomposition de la molécule d’oxyde d’azote ». Il y a en effet une forte affinité entre les sites d’adsoption et l’oxygène, et une quantité d’énergie importante pour parvenir à le décrocher est nécessaire.
S'inspirer des enzymes
En réfléchissant à la question, Marco Daturi réalise qu’il y a déjà dans la nature des catalyseurs pouvant opérer ce type de réaction, sans s’empoisonner : « les enzymes fonctionnent à température ambiante, et certaines d’entre elles réduisent l’oxygène. Et si ce sont des systèmes macromoléculaires très complexes avec des centaines d’atomes, en réalité la majeure partie de ces atomes sont là pour lui permettre de vivre. Le site actif, lui, est très limité, et ne comprend que quelques atomes de fer ou de cuivre ». L’enjeu est alors de recréer de telles structures. « Il se trouve que je collabore de longue date avec l’Institut des Matériaux Poreux de Paris (IMAP) à l’ESPCI et l’ENS, dirigé par le Dr Christian Serre. Ils sont experts dans la réalisation de matériaux hybrides (organiques/inorganiques) poreux de type MOFs. Or je me suis aperçu que le centre actif d’une enzyme est très similaire au type de structures qu’ils synthétisent », raconte le spécialiste.
Des MOFs construits à partir de trimères de fer réductible
Ensemble, ils ont ainsi mis au point une série de matériaux poreux de type MOFs construits à partir de trimères de fer réductibles, le fer étant le meilleur centre actif pour l’oxygène. Ces dernier sont donc capables, en présence d’eau, d’oxygène de réduire les oxydes d’azote en diazote et en dioxygène à température et pression ambiante. Ces matériaux dissocient le NO comme leurs anciens homologues, mais sans que l’oxygène ne reste accroché. Une particularité liée, justement, à leur structure hybride organique/inorganique. Ils ont ensuite été testés dans quatre laboratoires différents, avant d’être validé. Extrêmement stable, il résiste à des températures de 300 degrés. « C’est un matériau qui ne demande par ailleurs pas de traitement particulier, et qui n’est pas non plus sensible à l’humidité. De notre côté, nous en avons stocké une partie dans notre laboratoire, que nous ressortons une fois par mois pour le tester, depuis deux ans maintenant, et qui est toujours fonctionnelle », souligne Marco Daturi.
Si un tel matériau n’est pas destiné aux pots catalytiques des voitures, il est particulièrement adapté à la purification de l’air intérieur, dans les lieux où subsiste une pollution diffuse aux NOx, qu’on ne sait pas comment éliminer. Et c’est efficace, selon Marco Daturi, qui a pu s’en rendre compte dans son propre laboratoire, équipé de simulateurs et capteurs pour suivre la concentration en NOx de l’air. Quelques grammes de catalyseur suffisent ainsi à éliminer les Nox d’une pièce en quelques dizaines de minutes.
Une production à grande échelle à venir
La prochaine étape est maintenant de produire ces matériaux à grande échelle, ce qui ne devrait pas poser de problème pour Marco Daturi : « les précurseurs du fer sont très abondants sur terre, ne coûtent pas cher, et sont biocompatibles. Christian Serre a en outre développé une méthode de fabrication verte, à partir d’une solution d’eau à basse température, ce qui en fait un procédé durable ».
Reste plus qu’à trouver « des acheteurs intéressés ». Dans cette optique, Marco Daturi a fondé avec son collègue Christian Serre une start-up (aujourd’hui dirigée par ses anciens étudiants), SquairTech, pour commercialiser le dispositif, après l’avoir validé dans des démonstrateurs à taille réelle.
