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Laboratoire de Réactivité de Surface
UMR 7197 Sorbonne Université-CNRS

Le laboratoire de réactivité de surface est une unité mixte de recherche CNRS-Sorbonne Université

Les activités scientifiques du LRS ont pour vocation de comprendre et contrôler la réactivité de surface de matériaux inorganiques en milieu gazeux ou liquide avec, à l’origine, un ancrage très fort dans le domaine de la catalyse hétérogène. La création d’une nouvelle équipe en 2005 a permis de faire évoluer ce positionnement vers l’étude des interfaces biologiques.

 

Si les objets manipulés et les objectifs de valorisation sont différents, la cohésion scientifique est forte autour de problématiques communes comme la structuration/fonctionnalisation de surfaces planes ou divisées et la caractérisation avancée de ces surfaces et de leur réactivité. Nous avons donc adopté une structuration scientifique fédératrice, favorisant les échanges scientifiques et les synergies, autour de trois thèmes qui constituent nos lignes de force et touchent à la fois le domaine de la catalyse et celui des biointerfaces.

 

DOMAINES DE COMPÉTENCES

  • Synthèse de matériaux de porosité, propriétés acido-basique et nano-structuration contrôlées
  • Fonctionnalisation et caractérisation de surfaces
  • Réseaux de réactions catalytiques modèles
  • Caractérisation operando/résolue en temps des sites réactionnels
  • Mécanismes réactionnels
  • Suivi d’interactions en milieu biologique

 

Thème 1 : Ingénierie des surfaces nanostructurées et fonctionnelles

C. Louis, F. Launay

La conception de différents matériaux « actifs », catalyseurs, capteurs, etc… constitue l’un des centres d’intérêt du laboratoire. Malgré la diversité des applications visées, un certain nombre de problématiques s’avèrent communes, comme la question des interactions entre des matériaux de différentes natures (surfaces planes ou divisées, matériaux nanométriques ou massifs, oxydes poreux ou non poreux, surfaces métalliques) et des phases « actives » (nanoparticules d’oxyde ou de métal, ions isolés, molécules organiques ou biomolécules). Des défis importants en termes de synthèse se retrouvent au cœur de la plupart des travaux du laboratoire et s’appuient sur notre expertise reconnue en matière de synthèse de nano-objets, de contrôle des échelles de porosité et d’introduction sélective d’ions isolés.

 

Les activités du thème 1 s’organisent autour de deux axes principaux :

 

  • Le contrôle de l’environnement des nanoparticules et des surfaces

Que les phases actives soient des entités (bio-)organiques ou inorganiques et que leur support soit métallique ou oxyde, plusieurs verrous doivent être levés pour aboutir à des matériaux fonctionnels optimisés. Les challenges tournent en particulier autour :

- de la maîtrise des quantités de phases actives déposées, de leur distribution spatiale ainsi que de la nature de leur ancrage. Cette question est centrale dans les projets visant la nanostructuration de catalyseurs ou l’élaboration de nouveaux revêtements de surfaces métalliques, anti-biofilms ou antimicrobiens, ou bien encore l’élaboration de biocapteurs à base de nanoparticules d’or fonctionnalisées.

- de l’élucidation de la nature des surfaces métalliques en cours de réaction. Dans ce domaine, le laboratoire s’appuie sur son savoir-faire en matière de synthèse, en particulier des nanoparticules bimétalliques impliquant des métaux nobles et/ou non nobles et du suivi de l’évolution de leurs surfaces sous gaz d’activation ou de réaction, par différentes techniques avancées.

 

  • La localisation des entités actives au sein de matrices poreuses

Le confinement peut apporter des réponses à des problématiques de stabilité d’espèces actives. C’est le cas de nanoparticules hautement réactives, par exemple de Ni(0) utilisées dans des catalyseurs pour le reformage à sec du méthane. Le LRS développe des stratégies pour stabiliser en conditions réactives ces particules métalliques dans des supports poreux.

La compartimentation de différentes espèces actives est aussi au coeur de nos travaux récents. Elle regroupe plusieurs situations. Il peut s’agir de positionner une phase active au sein de la porosité d’un matériau et une autre en dehors. Cette approche est développée pour l’élaboration de systèmes catalytiques chimio-enzymatiques hétérogènes combinant un catalyseur chimique (un complexe métallique) intégré dans une structure mésoporeuse et une enzyme en interaction forte avec cette structure. Dans d’autres travaux, la compartimentation des espèces actives consiste plutôt en l’orientation de son dépôt spécifique sur une des phases d’un support composite. Par exemple, des nanoparticules métalliques pourront être formées sur l’un des deux nano-oxydes résultant d’une synthèse par hétérocoagulation dans le but d’obtenir un catalyseur pour une réaction tandem.

 

 

Thème 2 : Science des Surfaces et Interfaces Solide-Liquide

X. Carrier, V. Humblot

La recherche menée dans le thème 2 repose sur une démarche résolument fondamentale de la réactivité de surface en privilégiant l’utilisation de systèmes modèles (approche science des surfaces, systèmes plans ou pulvérulents) et intégrant la problématique (mais aussi la contrainte pour la spectroscopie) de l’interface solide/liquide. Cette interface est centrale en catalyse au cours de la préparation de catalyseurs (majoritairement dans l’eau pour des raisons économiques et environnementales) et la conversion de la biomasse (matière riche en eau, réactifs peu volatils, hydrosolubles…). Elle est par ailleurs omniprésente dans le domaine des biointerfaces (développement de biocapteurs, de surfaces antimicrobiennes ou osséointégratives, biominéralisation…).

 

La recherche s’organise selon 3 axes principaux :

1. Science des surfaces et synthèse de matériaux

L’approche vise à utiliser des systèmes modèles typiques de la science des surfaces (surfaces monocristallines principalement) pour isoler des propriétés spécifiques du support qui incluent notamment les effets de morphologie et d’orientation cristalline sur les propriétés de structuration, d’auto-organisation, de chiralité de surface et de réactivité de la phase adsorbée (précurseur métalliques de phase active, réactifs en catalyse et biomolécules).

2. Science des surfaces et réactivité : rôle de la phase liquide

Les études en catalyse s’articulent autour du rôle de l’eau comme (co)réactif (réactions d’hydratation/hydrolyse), comme produit (déshydratation), adsorbat compétitif ou comme solvant (stabilité du

catalyseur) dans des situations propres à la conversion de la biomasse (conditions ambiantes ou hydrothermales, cavitation…).

3. Développement de méthodes de caractérisation à l’interface solide-liquide

Les développements s’appuient sur un panel de techniques déjà disponible au laboratoire ou à travers de projets collaboratifs. On peut notamment citer le développement de la spectroscopie infrarouge en mode ATR ou le couplage de la QCM et de la LSPR avec des techniques spectroscopiques telles que le SERS et le SEIRA.

 

 

Thème 3 : Approche moléculaire des sites actifs et de leur réactivité.

G. Costentin, C. Jolivalt

Le LRS cherche à rationaliser au niveau moléculaire les modes de fonctionnement des matériaux inorganiques et hybrides dans leurs différents domaines d’intérêt. Qu’il s’agisse de l’étude de phénomènes d’adsorption (voire de relargage), de l’influence du substrat minéral sur la formation d’une liaison peptidique ou de la transformation molécules d’intérêt, ces thématiques participent d’une démarche et de problématiques communes dans les domaines de la bio-activité, de l’origine de la vie ou de la catalyse hétérogène. Cette chimie moléculaire aux interfaces représente un véritable défi du fait de la faible concentration des espèces adsorbées sur des surfaces complexes et divisées ou /et du caractère dynamique des processus.

De par son expertise reconnue tant au niveau national qu’international dans le contrôle de la synthèse (thème 1), dans la complémentarité de ses techniques de caractérisation (notamment spectroscopiques) mises en œuvre in situ, voire operando, le LRS dispose d’un environnement propice pour aborder et mener à bien ces objectifs. Plutôt que des approches de type criblage de catalyseurs à plus ou moins haut débit, l’analyse des paramètres qui gouvernent conversion et sélectivité est privilégiée. Des corrélations structure-activité pertinentes établies au niveau moléculaire visent in fine l’identification de la nature et du mode de fonctionnement des sites actifs. Ces données peuvent alors être rapprochées de celles purement cinétiques pour une meilleure connaissance des mécanismes réactionnels. Compte tenu de la complexité des réactions notamment en cascade, les sites catalytiques requièrent non seulement plusieurs fonctions chimiques (acide-base, acide-base-redox, métal –redox, acide-métal, métal-métal), parfois couplées à des fonctions enzymatiques mais aussi une configuration adéquate de ces sites en termes de spacialité, de force relative, d’interaction avec le support.

 

L’hypothèse qui sous-tend les recherches menées au LRS dans le domaine de la chimie prébiotique est que la complexité préexistante du monde minéral a pu servir de guide à l'émergence de la complexité du vivant. Différents oxydes, argiles ou sulfures sont étudiés pour la condensation peptidique. Par ailleurs, les travaux du LRS dans ce domaine, visent également à élucider les mécanismes réactionnels de la phosphorylation de nucléotides mono-phosphorylés conduisant à la formation de l’adénosine triphosphate ou de la glycolyse, voies clé du métabolisme énergétique des cellules.

Dans le domaine de la catalyse hétérogène, les réactions étudiées dans le domaine de la catalyse répondent à des défis sociétaux d’ordre environnemental avec la dépollution de l’air (DeNOx), la valorisation du CO2,de la biomasseet de ses dérivésou d’ordre économique en raison de besoins croissants en grands intermédiaires de la chimie (propylène, butadiène, butanol…). Elles s’inscrivent aussi dans un contexte de disponibilité croissante en alcanes légers issus du gaz naturel (ODH du propane en propylène).

 

03/07/18

Traductions :

    Effectifs

    Le laboratoire compte 39 permanents (+ 2 émérites) dont 20 enseignants chercheurs et 9 chercheurs CNRS, 7 ITA et 6 IATOS.