Quand la recherche et l’industrie inventent ensemble les matériaux de la transition
Catalyseurs plus sobres, polymères recyclables et procédés moins énergivores. Avec ERACLECE et PolMixLab, deux laboratoires communs signés le 22 avril dernier, en région Auvergne-Rhône-Alpes, chercheurs académiques et industriels unissent leurs expertises pour concevoir les matériaux et technologies indispensables à la décarbonation de l’industrie.
Et si la transition énergétique se jouait au cœur même de la matière ? Encore peu visible du grand public, la catalyse constitue pourtant un levier central pour décarboner les procédés industriels. En facilitant les réactions chimiques, elle permet de réduire drastiquement les besoins énergétiques, tout en ouvrant la voie à de nouvelles transformations de molécules clés comme le CO₂.
ERACLECE : accélérer le développement de catalyseurs pour une industrie plus durable
C’est dans ce contexte qu’a été lancé le laboratoire commun ERACLECE (Exploration Raisonnée de CataLyseurs pour l’Economie Circulaire et la dEcarbonation des procédés), associant le Laboratoire de Chimie1
et IFP Energies nouvelles. Son ambition : explorer de nouvelles générations de catalyseurs capables de concilier performance, sobriété énergétique et circularité des ressources.
L’enjeu est double. D’un côté, améliorer l’efficacité des procédés industriels en abaissant les barrières énergétiques des réactions. De l’autre, répondre à une contrainte croissante : la dépendance aux métaux critiques (platine, cobalt, nickel), indispensables aux catalyseurs mais soumis à de fortes tensions d’approvisionnement.
Pour y répondre, ERACLECE développe une approche intégrée, à la croisée de la chimie expérimentale et de la chimie computationnelle (modélisation moléculaire). Cette articulation fine entre théorie et expérience permet d’anticiper les mécanismes réactionnels et de guider la conception de matériaux plus durables.
Deux axes structurent les travaux. Le premier a pour objectif grâce à la chimie computationnelle, d’améliorer notre compréhension des mécanismes impliqués dans le recyclage des métaux critiques des catalyseurs via hydrométallurgie. Ces métaux seront réutilisés dans de nouveaux cycles en tant que catalyseurs.
« Se pose la question, bien sûr, de l’accessibilité à ces métaux-là. Il s’agit de trouver des métaux alternatifs puis de les recycler. Nous travaillons à extraire un métal d’un catalyseur en fin de vie, pour le réinjecter immédiatement, en boucle courte, et ainsi ne pas consommer de nouvelles ressources », explique Pascal Raybaud, Directeur du laboratoire commun ERACLECE, chercheur à l’IFPEN et enseignant à l’ENS de Lyon. « Ce qui a été beaucoup étudié par chimie computationnelle, ce sont les mécanismes de la réaction catalytique elle-même. En revanche, la préparation du catalyseur et son recyclage restent des domaines encore peu explorés par cette technique. C’est la question de l’écoconception des catalyseurs », complète Carine Michel, directrice de recherche au CNRS et directrice du Laboratoire de Chimie à l’ENS Lyon. Et d’ajouter : « En catalyse, les réactions ont lieu à l’échelle du nanomètre. Nous utilisons des outils de chimie quantique pour comprendre comment une liaison se casse, comment elle se forme et ce qu’il faudrait changer dans le catalyseur pour orienter la réaction ».
Le second axe explore une voie inédite de production électrocatalytique du dihydrogène (H2). « Au lieu de produire du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2) à partir de l’eau, nous voulons produire du dihydrogène et préférentiellement de l’eau oxygénée (H2O2) dont les valorisations potentielles sont nombreuses, dans le médical, l’alimentaire, le spatial», analyse, enthousiaste, Pascal Raybaud. Avant de préciser : « sur ces 2 axes de recherche, IFPEN prévoit de financer deux thèses mais nous sommes en recherche de financement complémentaire car l’enjeu scientifique est élevé. »
Au-delà de la recherche, le laboratoire commun s’inscrit dans une dynamique de formation par la recherche. Des cours de catalyse de niveau Master sont dispensés par des intervenants d’IFPEN à l’ENS de Lyon. Ces enseignements s’inscrivent dans la continuité de la chaire industrielle ROAD4CAT (RatiOnAl Design for CATalysis), qui a structuré la collaboration entre les partenaires et contribué à former de nombreux étudiants aux approches croisées de la catalyse. « Les doctorants seront formés dans un environnement mêlant modélisation, expérimentation et enjeux industriels », souligne Carine Michel. « Ils apprendront à travailler à l’interface entre recherche académique et applications industrielles, tout en intégrant les questions de ressources et de cycle de vie des matériaux ». CQFD.
PolMixLab : développer les gommes du futur
Un autre laboratoire commun implanté en région Auvergne-Rhône-Alpes illustre la manière dont la recherche académique et l’industrie réinventent conjointement les matériaux de demain. Avec PolMixLab, inauguré également le 22 avril dernier, le laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères2
et Michelin s’attaquent cette fois à un autre défi clé de la transition écologique : concevoir des matériaux polymères à la fois plus performants, plus durables et moins énergivores – des caoutchoucs nouvelle génération.
Car derrière les pneumatiques, les joints, les bandes transporteuses ou encore certains matériaux médicaux et aéronautiques, se cachent des matériaux polymères complexes dont la fabrication et le recyclage représentent un enjeu industriel majeur. « Notre objectif, c’est de ne pas compromettre les performances par l’introduction de la durabilité », résume Salvatore Pagano, Senior Fellow, Recherche Conception Mélanges chez Michelin. Avant de préciser : « nous comptons aussi sur le fait que la durabilité puisse devenir un levier supplémentaire de performance ».
Le laboratoire commun - le dixième conclu entre Michelin et le CNRS - travaille notamment à réduire l’énergie nécessaire à la fabrication des mélanges élastomères, grâce à de nouveaux procédés de mélange et à la simulation numérique. « Nous voulons comparer des procédés alternatifs aux procédés conventionnels de Michelin, pour voir si l’on peut obtenir les mêmes performances, voire apporter des fonctionnalités supplémentaires », explique Jannick Rumeau, professeure à l’INSA Lyon et directrice du laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères.
Autre axe majeur, l’écoconception des matériaux. Comme pour les catalyseurs étudiés dans ERACLECE, la question du cycle de vie devient centrale. Origine des matières premières, consommation énergétique lors de la fabrication, durée d’usage, recyclabilité : l’ensemble de la chaîne est désormais intégré dès la formulation des matériaux. « Dans une démarche d’écoconception, c’est tout le cycle qu’il faut regarder, pas seulement la fin de vie du produit », insiste Salvatore Pagano.
Le recyclage des mélanges élastomères reste un défi scientifique particulièrement complexe. Contrairement aux thermoplastiques classiques, ces matériaux forment des réseaux difficiles à déconstruire. « Les élastomères sont beaucoup plus compliqués à recycler parce que ce sont des réseaux thermodurcissables », rappelle Jannick Rumeau. Pour répondre à cette difficulté, les chercheurs explorent plusieurs voies, depuis la séparation mécanique des composants jusqu’à la pyrolyse, qui permet notamment de récupérer des matières premières recyclées qui pourront être valorisées.
Au-delà des avancées technologiques, PolMixLab repose lui aussi sur une logique d’hybridation des savoirs. Une quinzaine de chercheurs et ingénieurs travaillent conjointement entre laboratoires académiques et centres de recherche Michelin, avec déjà plusieurs thèses et postdoctorats engagés. « La science, c’est un débat d’idées. Quoi de mieux que deux équipes scientifiques, académiques et industrielles, - qui collaborent depuis des années - pour confronter les hypothèses et accélérer la compréhension des phénomènes ? », avance Salvatore Pagano.
Un territoire d’innovation à la hauteur des enjeux environnementaux et industriels
ERACLECE et PolMixLab, tous deux implantés en région Auvergne-Rhône-Alpes démontrent que cette dernière est un territoire d’innovation. Lyon constitue notamment un pôle d’excellence dans le domaine des matériaux de la transition. « Notre leadership en science des matériaux est le résultat de trois facteurs de réussite incarnés par le PolMixLab : l’envergure de nos entreprises dans le domaine, l’excellence académique de nos laboratoires de recherche et une Région qui soutient son écosystème », se félicite Catherine Staron, Vice-présidente déléguée aux lycées, à l’enseignement supérieur, à la recherche et à l’innovation de la Région Auvergne-Rhône-Alpes.
Les deux laboratoires communs démontrent ainsi que les grands défis industriels contemporains - décarbonation, sobriété énergétique, circularité des ressources - imposent désormais de penser simultanément performance, durabilité et transfert vers l’industrie. Une recherche résolument collaborative, où chimie, procédés, modélisation et écoconception se conjuguent au présent et au futur.