Catalytic and Atmospheric Reactivity for the Environment (CARE)

Plus d’infos sur cette page dédiée : Projet FEDER covid-air

 

L’équipe CARE se positionne au croisement de nombreux problèmes sociétaux majeurs liés aux ressources en eau, à la valorisation des déchets, à la qualité de l’air et au changement climatique. Ses recherches fondamentales et appliquées sont basées sur la mise en commun de fortes spécificités associées à un parc analytique innovant et performant pour caractériser, éliminer et valoriser les polluants. En étant à l’interface entre sciences de l’environnement, catalyse hétérogène, chimie analytique et électrochimie, l’équipe CARE propose des développements de méthodes novatrices de remédiation (photocatalyse, promotion électrochimique de la catalyse,…), de couplage de procédés (catalyse-photocatalyse, catalyse-électrochimie, …), d’analyse chimique (spectrométrie de masse haute résolution) ainsi que l’étude des processus atmosphériques.

Axes de recherche

Processus Atmosphériques
La pollution de l’air reste un problème majeur des zones urbaines et suburbaines avec des impacts sanitaires et climatiques reconnus. Ceci tient au fait que de nombreuses émissions (gazeuses et particulaires) et transformations physico-(photo)chimiques dans l’atmosphère restent extrêmement méconnues, limitant ainsi l’amélioration souhaitée de la qualité de l’air. Ainsi la compréhension des processus de formation et d’évolution des aérosols est au cœur des problématiques de recherche de l’équipe. Plus particulièrement, la compréhension des processus physico-chimiques et photochimiques impliqués dans la croissance des particules les plus fines est un axe majeur de recherche. Par ailleurs, l’impact sanitaire de ces particules ultrafines est également étudié au travers de collaborations regroupant différents acteurs (biologistes, médecins, etc.) afin de caractériser de manière inédite l’impact des particules sur différents systèmes cellulaires et pulmonaires. Ce couplage avec la « santé » correspond non seulement à une évolution logique mais aussi stratégique puisque l’Organisation Mondiale de la Santé souligne régulièrement l’étendue du problème sanitaire mondial lié à l’exposition aux particules. Afin de répondre pleinement à ces challenges expérimentaux, de nouveaux développements analytiques sont menés. Ils s’appuient sur la réalisation de nouveaux couplages entre des techniques d’ionisation douce et des systèmes de spectroscopie de masse à haute résolution.

Dégradation Catalytique des Polluants
La formulation des matériaux catalytiques de dépollution doit sans cesse évoluer pour accompagner des normes de plus en plus sévères en termes de niveau d’émission (air ambiant, habitations, lieux de travail, environnement) et de durée de fonctionnement, mais également pour anticiper la baisse prévisible des ressources mondiales de certains éléments actifs comme les métaux nobles. L’équipe CARE dispose de compétences fortes et spécifiques pour lever certains verrous comme l’abaissement des températures de fonctionnement des catalyseurs et la limitation, voire la suppression, de l’utilisation des métaux nobles.

Ainsi, l’équipe étudie de nouveaux matériaux et procédés pour le traitement des polluants dans l’air et dans l’eau. Les stratégies ont pour but d’améliorer l’efficacité et la durabilité des catalyseurs de dépollution en optimisant d’une part l’accessibilité des sites actifs (morphologie « core-shell », exsolution redox de nanoparticules, propriétés dynamiques des interfaces métal/support) et d’autre part les cinétiques (catalyse assistée, couplage de procédés). Concernant la dépollution automobile, un des principaux axes de recherche concerne les polluants ciblés avec la baisse progressive du taux de diésélisation en Europe et l’apparition de nouvelles motorisations et de nouveaux carburants. Dans ce contexte, les défis portent sur le traitement des émissions de particules ultrafines, de méthane et de composés azotés comme le protoxyde d’azote et l’ammoniac mais également sur l’augmentation de l’efficacité des systèmes de post traitement à basse température, notamment pour le démarrage à froid du moteur.

Valorisation des Déchets Organiques
L’équipe oriente également ses activités vers la valorisation de polluants organiques en utilisant notamment des procédés photocatalytiques et électrocatalytiques. La production de produits chimiques de haute valeur et / ou de vecteur énergétique (H2) à partir de sources durables telles que des effluents industriels fortement pollués et des déchets organiques, en utilisant des procédés efficaces et bon marché est un défi majeur pour le remplacement des produits pétroliers. En effet, les ressources doivent être limitées pour lutter contre le changement climatique et la production de gaz à effet de serre. Ainsi, l’utilisation de procédés photocatalytiques, est un axe de recherche important permettant la transformation de polluants organiques. L’équipe développe, en collaboration avec CDFA, de nouveaux concepts de transformation hydrothermale de substrats cellulosiques assistée par photocatalyse. Cette approche photocatalytique passe également par le développement de nouveaux photocatalyseurs aux propriétés optimisées par exemple à travers le contrôle de la nanomorphologie ou la formation de composites hybrides inorganiques-organiques. La valorisation des polluants et de déchets organiques est également étudiée au travers de procédés électrocatalytiques et photoélectrocatalytiques. L’objectif porte sur l’électrolyse de déchets organiques (lignine, plastique) pour la production d’hydrogène pur dans un réacteur de type pile à combustible en étudiant les mécanismes afin de développer de nouveaux matériaux d’électrodes. Enfin, des procédés de catalyse hétérogène peuvent être aussi développés pour permettre la fonctionnalisation de molécules d’intérêt à haute valeur ajoutée issues de la transformation de déchets organiques.

Projets de recherche

Projets financés par l’Europe:

MAARvEL ERC-Starting Grant (2020-2025): A Missing Key Property in Atmospheric AeRosol ChEmistry: the Laplace Pressure
SOFA ERC-Advanced Grant (2022-2026): Spontaneous interfacial oxidant formation as a key driver for aerosol oxidation.

It was very recently shown that the local orientation of water molecules at an air/water interface generates spontaneous radicals in micron-sized droplets. The SOFA project aims to unravel the atmospheric importance of this spontaneous interfacial oxidant formation.

 
EASVOLEE (2023-2026): Effects on Air quality of Semi-VOLatile Engine Emissions.

This project brings together leading European research groups, with state-of the-art observational and modeling facilities to:
i) Quantify the contributions of secondary aerosol formation from transport engines to air quality problems in Europe.
ii) Develop and identify health-related metrics, mitigation strategies, and policies to improve air quality, limiting the concentrations of aerosol (organic, inorganic, nanoparticles).

ELOBIO (ELectrolysis Of BIOmass, lien vers site)

Le projet est coordonné par IRCELYON et vise à développer des électrolyseurs capables de produire simultanément de l’hydrogène vert pur et des produits chimiques décarbonés à valeur ajoutée à partir de biomasse lignocellulosique renouvelable issue du bois/de la foresterie et des résidus agricoles, avec un faible apport énergétique.

ELOBIO vise à faire progresser l’électrolyse de la biomasse pour en faire une nouvelle voie compétitive de production d’hydrogène vert. Le projet prévoit la conception, l’élaboration, le test et l’optimisation d’un prototype de cellule d’électrolyse sans membrane à l’échelle du laboratoire (TRL4), comprenant une cathode sélective pour la réaction d’évolution de l’hydrogène et un électrodialyseur à l’anode, exempt d’éléments chimiques critiques, capable d’oxyder sélectivement les composés dérivés de la biomasse en molécules à forte valeur ajoutée. De plus, plusieurs technologies émergentes basées sur l’électrolyse assistée (sono-électrolyse, magnéto-électrolyse, concept de promotion électrochimique de la catalyse) seront explorées pour améliorer encore l’efficacité énergétique de la production électrolytique d’hydrogène vert.

Il regroupe un consortium de chercheurs provenant de trois laboratoires français du CNRS (IRCELYON, LCH, IC2MP), de deux institutions allemandes (KIT, Fraunhofer ICT), deux universités espagnoles (UCLM et UPM) et un institut de recherche néerlandais (DIFFER), couvrant un large éventail d’expertises, allant de la science des matériaux, l’électrocatalyse, le génie chimique, atomistique et la modélisation à l’échelle macroscopique jusqu’à l’analyse du cycle de vie.

Le projet a été financé dans le cadre de l’appel Pathfinder Challenge de l’EIC (European Innovation Council) clôturé le 27 octobre 2021, dans le cadre du défi « Nouvelles voies pour la production d’hydrogène vert ». Il sera mené conjointement avec huit autres projets du même défi qui contribueront à atteindre les objectifs de la politique européenne en matière d’énergie verte pour rendre l’économie de l’UE durable et l’Europe climatiquement neutre d’ici 2050. »

Projets financés par l’Agence Nationale de la Recherche:

CHARO: Hierarchical CHAbazite core-shell catalysts for Reduction of NOx and N2O

La réduction de la pollution atmosphérique générée par les moteurs est un enjeu majeur sujet à des régulations environnementales exigeantes. Revisiter les systèmes de post-traitement avec des concepts disruptif est l’une des voies pour significativement diminuer l’impact sur l’environnement et la santé. Ce projet se concentre sur l’un de ces concepts. Il ambitionne le développement de nouveaux catalyseurs qui combineront plusieurs fonctionnalités dans des gammes étendues de fonctionnement.

https://anr.fr/Project-ANR-18-CE07-0014

DYCAT (2020-2023) : Dynamic Catalysts for the production of clean energy.

Le projet a pour objectif de comprendre les interactions (Pt, Pd)/CeO2 pour développer des catalyseurs performants pour la production d’énergie comme la réaction de gaz à l’eau pour la production d’hydrogène et la combustion catalytique propre du méthane.

https://anr.fr/Project-ANR-19-CE05-0038

H-to Clean (2022-2025) Passive in situ generation of additional reductant intermediates for the assisted green hydrogen engines NOX removal.

Développement de catalyseurs pour la dépollution des moteurs à hydrogène.

https://anr.fr/Projet-ANR-21-CE05-0012

PHOTHER (2018-2022): Transformation hydrothermale de substrats cellulosiques assistée par photocatalyse.

Nouveaux concept et matériaux pour élaborer molécules d’intérêts et H2 à faible coût. L’objectif est de remplacer les ressources pétrolières par la biomasse pour générer de l’énergie et/ou fabriquer des molécules plateformes pour synthétiser médicaments, plastiques… en développant un concept moins énergivore et de nouveaux matériaux plus efficaces et moins coûteux. Rendre moins énergivore et plus sélective la transformation de fraction hydrolysables de la biomasse en énergie et molécules plateforme.

https://anr.fr/Projet-ANR-17-CE06-0011

SENSOX (2023-2025): photoSENSitized reactions: a new OXidant pathway in the atmosphere

This project aims at quantifying the tropospheric importance of photosensitized reactions in the tropospheric condensed phases (i.e., cloud droplet and aerosols)

ICEPART (2023-2025): Are ice phase electrochemical processes in deep convective clouds inducing new particle formation in the upper troposphere?

Very recently, intense new particle formation (NPF) events have been observed in the UTLS, where ice formation and deep convection are predominant. The underlying mechanism is, however, only very qualitatively described. This project aims at unraveling those processes.

SAFHYR (2022-2026) : Nouveaux catalyseurs pour une restitution et un usage sûrs d’hydrogène (abstract)

Stocké par hydrogénation dans des transporteurs d’hydrogène organiques liquides (LOHC), le transport d’hydrogène devient sûr.  Un procédé innovant consiste à réaliser, à partir du perhydrodibenzyltoluène comme composé riche en hydrogène, une hydrogénation par transfert de l’acétone, produisant du dibenzyltoluène et de l’isopropanol, ce dernier alimentant une pile à combustible directe à l’isopropanol (DIPAFC).

MEGOPE (2022-2026): De la Spectrométrie de masse pour la production vertes de composés organiques par électrocatalyse (abstract)

Le projet se propose de relever le défi de la décarbonation de notre société en s’intéressant à la transformation de la biomasse par des méthodes électrocatalytiques qui elles sont adaptables aux énergies renouvelables. Pour cela, nous allons développer un système analytique innovant basé sur la spectrométrie de masse (MS) qui aura la particularité d’être adapté à une cellule électrocatalytique pour l’étude en temps réel et in-operando des réactions ayant lieu aux électrodes.

Projets financés CNRS:

80|PRIME – NOSY-H2 (2020-2024) : Nouveaux systèmes pour le stockage d’hydrogène (abstract)

L’objectif est d’étudier la réaction de transfert d’hydrogène entre des cycloalcanes et l’acétone pour produire l’isopropanol et les aromatiques associés (150-250°C, 2-30 bars) afin de concevoir et mettre en œuvre un réacteur catalytique efficient.
Les données sur ce procédé étant peu nombreuses, différents aspects seront abordés : cinétique, thermodynamique, conception de réacteur, modélisation.

Projets financés région Rhône-Alpes Auvergne:

Projet CAPCOMB (2021-2024) financé par la région Auvergne-Rhône-Alpes (En coll. avec Ecole des Mines de Saint-Etienne): Développer un capteur NOx et NH3 pour le contrôle de procédés de combustion et d’émissions de véhicules.

Projets financés IDEX LYON/ iMust:

EN-CAS (2020-2022): Emergent Nanoparticles for CAtalysiS

Le projet EN-CAS a pour objectif d’utiliser le concept d’exsolution redox pour concevoir des nanostructures innovantes de catalyseurs. L’exsolution redox consiste à faire émerger des nanoparticules métalliques depuis le volume d’un oxyde pérovskite jusqu’à sa surface sous l’effet d’une réduction chimique ou électrochimique. Nos recherches se focaliseront sur l’émergence de nanoparticules de Ni dans l’optique de substituer les métaux nobles dans les procédés catalytiques.

https://labeximust.universite-lyon.fr/labex-imust/site-francais/imust-fr-nav/appels-a-projets/appels-a-projets-en-cours/

Projets financés par BPI France (PSPC régions):

QUALITY AIR (2020-2023) : Qualité de l’air dans les cabines d’avion (abstract)

L’objectif de QUALITY AIR est de proposer des équipements permettant d’assurer une bonne qualité de l’air respiré en cabine avion.
Le projet permettra de développer des capteurs capables de détecter la présence de polluants nocifs.
En parallèle, des équipements de traitement multifonctionnels des polluants (conversion catalytique) seront mis au point.
Enfin, une plateforme d’essais dédiée à la qualité de l’air  sera  mise  en  place  afin  de  valider  la performance des équipements en conditions environnementales représentatives.

 

 

 

 

 

Partenariats

Collaborations Nationales et Internationales :

Partenariats avec l’industrie :

Capacités expérimentales et instrumentales

Les capacités expérimentales et instrumentales  de l’équipe CARE

Personnels

  • Chercheurs et chercheurs invités

    • Gilles Berhault
    • Stephane Dumas
    • Corinne Emmelin
    • Christian George
    • Sonia Gil
    • Anne Giroir-Fendler
    • Chantal Guillard
    • Valerie Meille
    • Matthieu Riva
    • Philippe Vernoux
  • Personnels techniques et administratifs

    • Antoinette Boreave
    • Nicolas Charbonnel
    • Frederic Dappozze
    • Sebastien Perrier
    • Laurence Retailleau-Mevel
  • Post-doctorants

    • Maria Angelaki
    • Simon Fahed
    • Linyu Gao
    • Jesus Gonzalez Cobos
    • Cesare Meroni
    • Junwei Song
    • Elizabeth Vera
    • Yige Yan
    • Eya Zghab
  • Doctorants

    • Florent Boulet
    • Yoan Carreira Mendes Da Silva
    • Cecilie Litske Carstens
    • Lucas Diot
    • Clement Dubois
    • Xiaolong Ji
    • Juliette Karpiel
    • Yue Lin
    • Eddy Jonatan Moreno Roman
    • Tania Mreyde
    • Carole Naddour
    • Feng Pan
    • Emma Petersen-Sonn
    • Ziba Roostaei
    • Felix Sari Dore
    • Rulan Verma
    • Qian Zhang
  • Autres

    • Yue Lin
    • Essyllt Louarn
    • Carole Naddour
    • Manon Poully
    • Flavio Pras
    • Baptiste Rey
    • Zhigang Yan

Publications

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