Des nanoparticules de nickel pour des hydrogénations plus sûres, efficaces et sélectives en conditions douces

L’hydrogénation est une réaction clé de la chimie industrielle qui permet de transformer des doubles ou triples liaisons carbone-carbone en liaisons simples, étape essentielle dans la fabrication de carburants, de parfums, de médicaments ou de polymères. Depuis des décennies, le nickel de Raney est l’un des catalyseurs les plus utilisés pour ces transformations. Peu coûteux et robuste, il est constitué de nickel métallique très poreux obtenu à partir d’un alliage nickel–aluminium dont on a dissous l’aluminium. Cette porosité donne au matériau une très grande surface spécifique, ce qui en fait un catalyseur très actif. Il présente néanmoins des limites importantes : il nécessite souvent des conditions sévères, manque de sélectivité et reste délicat à manipuler car le nickel de Raney est pyrophorique (à l’état sec, il peut s’enflammer spontanément à l’air).

Pour dépasser ces contraintes, une équipe internationale de chimistes, du Laboratoire d’innovations moléculaires et applications (CNRS/Université de Strasbourg/Université de Haute-Alsace/ECPM), de l’Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (CNRS/Université de Strasbourg/ECPM) et du National Chemical Laboratory Pune en Inde, s’est intéressée aux nanoparticules de nickel, qui sont connues pour leur grande surface spécifique et donc réactivité. Le défi consiste toutefois à les stabiliser sans brider leur activité catalytique. L’équipe a relevé ce défi en utilisant des ligands organiques appelés carbènes N-hétérocycliques (NHC). Ces molécules sont capables de se fixer fortement à la surface du métal tout en modulant finement ses propriétés électroniques.

Les nanoparticules obtenues, composées de nickel à l’état métallique et recouvertes de ces ligands NHC associés à une fonction oléfine, se révèlent particulièrement performantes. Elles catalysent l’hydrogénation sélective d’une large gamme de molécules - alcènes, alcynes, imines ou hétérocycles - sous des conditions bien plus douces que les catalyseurs classiques : températures modérées, pressions d’hydrogène réduites et faibles quantités de catalyseur. Dans certains cas, leur efficacité est comparable, voire supérieure, à celle du nickel de Raney, tout en offrant une meilleure maîtrise de la réaction et permettant d’éviter les problèmes de sécurité de manipulation.

Ces résultats, publiés dans le Journal of Catalysis, ouvrent la voie à une nouvelle génération de catalyseurs au nickel plus sélectifs et plus économes en énergie. À terme, l’ajustement fin des ligands et de l’environnement des nanoparticules pourrait permettre de concevoir des catalyseurs encore plus performants, adaptés aux exigences croissantes d’une chimie industrielle plus efficace et durable.

Rédacteur : AVR