«Une cuillère à café de MOF permet de séquestrer des litres de CO₂»

Thomas Schmidt, qu’est-ce qu’un MOF?

Thomas J. Schmidt: MOF est l’acronyme de «metal-organic framework» ou réseaux métallo-organiques en français. Un MOF est en fait une minuscule «éponge à molécules» extrêmement efficace, avec des propriétés tout à fait similaires à celles d’une éponge de cuisine: absorber des liquides par ses pores et les restituer par la suite. Un MOF fait la même chose, mais avec des molécules individuelles. 

A quoi ressemble cette éponge à molécules?

Au premier abord, elle n’a rien de spectaculaire. Les MOF sont la plupart du temps des poudres cristallines, comme le sel de cuisine. Mais leur nom signale ce qu’ils contiennent: ce sont des structures constituées de composants métalliques et organiques. Des ions métalliques forment des nœuds ou clusters, qui sont reliés entre eux par des molécules organiques complexes appelées ligands. Il en résulte une structure cristalline hybride tridimensionnelle. 

Est-elle similaire aux cristaux que l’on trouve dans la nature?

Il existe une différence décisive: les MOF sont des structures artificielles, souvent conçues à l’ordinateur et cultivées en laboratoire. C’est également le cas chez nous, au PSI. Le clou, c’est qu’en choisissant judicieusement les clusters et les ligands, nous pouvons fabriquer des cristaux aux propriétés tout à fait spécifiques. Car suivant les ions métalliques et les molécules organiques avec lesquelles ceux-ci sont combinés, on obtient des propriétés différentes, comme des pores de différentes tailles et de différentes formes, par exemple. 

Il n’y a donc plus besoin de chercher des matériaux adéquats dans la nature. Il suffit d’assembler soi-même les bons composants.

C’est en effet l’idée sous-jacente, mais dans la pratique, ce n’est pas si simple. Si l’on veut que la structure soit stable et ne se désintègre pas à haute température ou en cas d’humidité, par exemple, il faut trouver les bons ions métalliques et les bons ligands. Un autre aspect est très important: pour que le MOF fasse par la suite ce que l’on attend de lui, nous devons sélectionner attentivement les ligands et les fabriquer. Ces travaux préparatifs, que nous menons au Centre des sciences de l’énergie et de l’environnement au PSI, sont très souvent plus chronophages que la synthèse proprement dite des MOF pour laquelle, à l’heure actuelle, il existe souvent des procédures bien établies. 

Dans quels buts menez-vous des recherches sur les MOF?

Depuis le début de l’années, Marco Ranocchiari est responsable du nouveau Laboratoire des technologies énergétiques et innovation chez nous, au Centre. C’est lui qui a amené la recherche sur les MOF au PSI, il y a plus de dix ans. Depuis, des travaux de recherche sur ces matériaux sont menés dans de nombreux laboratoires différents. Nous nous intéressons tout particulièrement aux MOF qui permettent de capter les gaz à effet de serre comme le CO₂ ou qui nous aident à produire des carburants alternatifs.

Capter le CO₂ pour l’«éliminer» ensuite sous terre, comme des déchets spéciaux?

C’est une idée à laquelle on réfléchit, en effet. Pour cette «capture-séquestration» du CO₂, les MOF sont optimaux en raison de leur structure extrêmement poreuse: suivant la structure du ligand utilisé, la taille de chaque pore ne dépasse pas quelque millionième de millimètre, mais un seul gramme de MOF en contient tellement que leur surface totale étalée pourrait couvrir plusieurs terrains de football. De plus, le CO₂ et le méthane sont des molécules plutôt petites. De ce fait, une cuillère à café de MOF peut facilement en séquestrer plusieurs litres. 

Mais nous voulons aller plus loin et réutiliser le CO₂. Nous développons donc des MOF qui puissent non seulement absorber du CO₂, mais aussi permettre de le restituer facilement par la suite. Ces travaux se font dans le cadre du Swiss Center of Excellence for NetZero Emissions ou SCENE.

Qu’est-ce que SCENE?

SCENE est l’une des six initiatives communes du Conseil des EPF sur le thème «Energie, climat et durabilité écologique». Plus de 100 scientifiques du PSI, de l’Empa, du WSL, de l’Eawag et des deux EPF de Zurich et Lausanne y travaillent, menant des travaux sur la prévention, l’élimination et la valorisation des émissions de gaz à effet de serre. Le PSI dirige SCENE et j’en suis l’un des codirecteurs. Nos recherches sur le captage du CO₂ à l’aide de MOF au Centre des sciences de l’énergie et de l’environnement sont financées par SCENE.

Vous disiez que l’un des buts de SCENE était la valorisation du CO₂. Pour quels objectifs?

Il faut garder à l’esprit que le CO₂ représente une source de carbone pour l’industrie chimique. Qu’il s’agisse de développer des médicaments, du plastique ou des produits chimiques de base: dans tous ces domaines, on a besoin de carbone comme matière première. Or, pour l’instant, ce carbone est issu en grande partie du gaz naturel. Si à la place on prélève le CO₂ dans l’air ambiant et on le valorise, on n’a plus besoin de gaz naturel. Cela constituerait donc véritablement une étape importante vers une industrie respectueuse du climat et vers le «zéro net» que vise la Suisse d’ici 2050. 

Vous évoquiez également les carburants alternatifs.

Si nous prenons les objectifs climatiques au sérieux, il est évident qu’à l’avenir, nous ne pourrons plus continuer à alimenter nos voitures, nos bateaux et nos avions avec des carburants fossiles. Dans ce contexte, l’hydrogène sera amené à jouer un rôle important: comme combustible, mais également pour stocker des énergies régénératives ou pour fabriquer de l’ammoniac et d’autres produits chimiques essentiels. Pour produire de l’hydrogène, on décompose l’eau par électrolyse. Pour ce faire, on applique une tension électrique entre deux électrodes dans un bac contenant de l’eau: de l’oxygène se forme à l’anode chargée positivement, alors que de l’hydrogène se forme à la cathode chargée négativement. 

A quelle étape interviennent les MOF?

Les MOF peuvent servir de catalyseurs qui facilitent la formation de ces gaz. Des MOF conçus à cet effet peuvent contribuer à rentabiliser l’électrolyse de l’eau. Les matériaux catalytiques classiques utilisent souvent des métaux nobles onéreux et ne peuvent pas être fabriquées sur mesure. Une équipe de recherche, emmenée par Emiliana Fabri et moi-même, conduit donc des travaux pour identifier les MOF les mieux à même de servir de catalyseurs et développe des prototypes correspondants. Mais il n’y a pas que l’électrolyse de l’eau qui nécessite des catalyseurs: on en a besoin également pour fabriquer des carburants d’aviation synthétiques, et donc durables, à partir d’hydrogène et de carbone. Chez nous, le groupe de Marco Ranocchiari a accompli un travail de pionnier et construit avec Metafuels AG, notre partenaire industriel d’Adliswil, une installation de démonstration sur le site du PSI.

Comment faut-il imaginer concrètement la recherche sur les catalyseurs MOF?

Nous étudions les MOF à différents niveaux. Vitaly Sushkevitch et Jeroen van Bokhoven, par exemple, utilisent la SLS pour visualiser et mieux comprendre les différentes étapes de la synthèse des MOF. Dans le domaine de l’électrolyse de l’eau, nous cherchons à savoir comment les catalyseurs se modifient pendant l’électrolyse, par exemple. Dans ce cas, la Source de Lumière Suisse SLS au PSI joue un rôle décisif: sa lumière de type rayons X pénètre dans les cellules d’électrolyse et montre ce qui se passe à l’intérieur au niveau moléculaire. Et ce en temps réel, autrement dit pendant que les réactions chimiques se déroulent dans le catalyseur. Comme vous voyez, la SLS offre des possibilités uniques au monde pour répondre à des questions très différentes, surtout dans le domaine de la spectroscopie d’absorption des rayons X et de la tomographie par rayons X. Cela nous aide de manière tout à fait décisive à déterminer les faiblesses et les forces de différentes variantes de MOF et à développer des catalyseurs toujours plus performants. Enfin, lorsque nous disposons d’un nouveau catalyseur MOF, celui-ci doit encore être mis sous la forme macroscopique appropriée avant toute utilisation technique. Cette étape essentielle est réalisée chez nous par Andrea Testino, qui ainsi rend possible l’utilisation des catalyseurs du PSI dans l’installation de démonstration que j’ai mentionnée.

La mise à niveau de la SLS a-t-elle amélioré vos possibilités de recherche?

Avec la nouvelle SLS, les rayons X sont plus brillants et nous permettent de mesurer beaucoup plus vite. Nous enregistrons désormais le spectre complet des rayons X en moins d’une seconde! Et si, en complément, nous voulons mesurer également la manière dont se présentent les stades moléculaires intermédiaires à durée de vie ultracourte pendant une réaction chimique, nous utilisons le SwissFELL, qui est le laser suisse à rayons X à électrons libres du PSI. 

De quel résultat concret obtenu par votre centre de recherche êtes-vous particulièrement fier?

L’été dernier, Julia Linke, l’une de nos doctorantes du groupe de recherche Electrocatalyse et interfaces, a conclu son doctorat sur un résultat très intéressant: elle a réussi à montrer que l’on pouvait déjà fabriquer un catalyseur qui fonctionne à partir d’une étape intermédiaire de la synthèse des MOF. Autrement dit, cette fabrication ne nécessite pas la dernière étape de cristallisation et fonctionne à des températures plus basses. Nous avons donc la possibilité de raccourcir et de simplifier le processus de fabrication de manière décisive. Tout cela promet des économies supplémentaires pour de potentielles applications commerciales. 

Etes-vous optimiste quant au fait que les MOF seront les matériaux miracles que l’on prédit?

Il faut se rappeler que la séquestration du CO₂ et la catalyse ne sont que deux applications potentielles parmi d’autres, innombrables. Les MOF ont la capacité de séparer, de stocker et de remettre à disposition n’importe quelle combinaison de gaz. Ou prenez le domaine médical, où des MOF peuvent acheminer dans l’organisme des principes actifs et les libérer de manière ciblée. Aujourd’hui déjà, on connaît 90 000 variantes de MOF et les modèles informatiques en prédisent des centaines de milliers d’autres. Même si elles ne sont pas toutes stables, chacune de ces combinaisons d’ions métalliques et de ligands organiques apporte ses propriétés tout à fait spécifiques. Nous sommes très loin de connaître tout ce que l’on pourra faire avec des MOF.