Transformer le carbone en sucres grâce à l’électrochimie

Marc Robert est chimiste à l’Institut parisien de chimie moléculaire, et plus précisément électrochimiste. « Nous utilisons l’électricité pour déclencher, contrôler et comprendre des réactions chimiques », explique-t-il.

Avec son équipe, il travaille sur des réactions catalytiques. Dans ce type de réaction, une transformation chimique est rendue possible ou plus efficace grâce à un catalyseur : une substance présente en très faible quantité, qui facilite la réaction sans être consommée. Ce type de mécanisme est très répandu dans la nature.

Il joue notamment un rôle central dans la photosynthèse, le processus par lequel les plantes produisent notamment l’oxygène que nous respirons. Dans cette réaction, l’eau est transformée en oxygène grâce à des systèmes complexes contenant des métaux, en particulier du manganèse, qui agissent comme catalyseurs. 
En laboratoire, les chercheurs étudient des systèmes chimiques dont certains principes s’inspirent de ces mécanismes naturels. « Nous essayons parfois de les mimer, parfois simplement de nous en inspirer », explique Marc Robert, afin de concevoir des réactions efficaces et de comprendre précisément comment elles se déroulent.

Transformer le CO₂, une molécule très stable

C’est dans ce cadre que l’équipe s’est progressivement intéressée à une réaction catalytique en particulier : la transformation du dioxyde de carbone. Très stable, le CO₂ est une molécule inerte : une fois présente dans l’atmosphère, elle peut y rester près d’un siècle. Les chercheurs ont alors mobilisé leur savoir-faire d’électrochimistes pour tenter de transformer cette molécule très stable en d’autres composés chimiques.

« L’enjeu est de considérer le CO₂ non plus seulement comme un déchet, mais comme une matière première », souligne Marc Robert. Les travaux menés ont d’abord porté sur la transformation du CO₂ en molécules relativement simples, comme le méthanol ou l’éthanol, des carburants capables de stocker de l’énergie. Ces recherches ont donné lieu à plusieurs brevets et à la création de la start-up Carboneo, qui travaille sur la valorisation du CO₂ en carburants.

Plus récemment, les chercheurs ont voulu aller plus loin : transformer non plus une petite molécule en une autre de taille comparable, mais fabriquer des molécules beaucoup plus complexes, comme des sucres.

Assembler le carbone

Le défi est considérable. « Il faut faire croître une molécule, explique Marc Robert, créer des liaisons entre plusieurs atomes de carbone, un peu comme assembler un collier de perles ». Associer plusieurs molécules de CO₂ entre elles est extrêmement difficile, et il existait jusqu’à présent très peu d’exemples de ce type de transformation.

La méthode mise au point repose sur deux étapes réalisées dans un même réacteur. La première consiste à transformer le CO₂ ou le monoxyde de carbone en formaldéhyde. Cette molécule, plus réactive, est obtenue grâce à un courant électrique, un peu d’eau et un catalyseur à base de cobalt. 

« Le catalyseur aide le CO₂ à se transformer », précise Marc Robert. En se liant au métal, la molécule se déforme, un atome d’oxygène est éliminé et des atomes d’hydrogène sont ajoutés, ce qui conduit à la formation de formaldéhyde qui sert ensuite de brique de base pour assembler des molécules plus complexes.

Créer de la complexité

Dans la seconde étape, plusieurs molécules de formaldéhyde s’assemblent pour former des sucres contenant cinq ou six atomes de carbone. Cette réaction, appelée réaction de formose, est connue depuis le XIXᵉ siècle. Elle avait été découverte par le chimiste russe Alexander Butlerov, sans que ses mécanismes soient entièrement compris aujourd’hui.

« Notre originalité est d’avoir réussi à déclencher cette réaction dans un contexte électrochimique », explique Marc Robert. Avec un peu d’électricité, d’eau et un catalyseur, les chercheurs parviennent à produire des sucres proches de ceux que l’on trouve dans le vivant, sans recourir à des enzymes ou à la biomasse.

Un résultat d’autant plus surprenant que la réaction est très sélective : elle conduit de façon inattendue à des sucres à cinq et six carbones, sans produire de molécules intermédiaires à deux, trois ou quatre carbones. « On ne comprend pas encore pourquoi », reconnaît le chercheur. Découvrir ces mécanismes fait désormais partie des priorités de l’équipe.

Des perspectives pour une chimie plus durable

Les applications potentielles sont nombreuses : chimie pharmaceutique, production de molécules de base, ou encore, à plus long terme, production de ressources dans des contextes contraints, comme l’exploration spatiale. Mais Marc Robert insiste sur les limites du procédé.

Recycler le CO₂ ne signifie pas l’éliminer. « Il n’y a pas de carbone négatif », rappelle-t-il. Brûler un carburant ou consommer un sucre produit à partir de CO₂ conduit inévitablement à en réémettre. L’intérêt de ces travaux réside dans la possibilité de faire circuler le carbone dans une boucle, plutôt que d’extraire en permanence de nouvelles ressources fossiles. 

Mais cette approche n’a de sens que si l’énergie utilisée est renouvelable. « Utiliser du charbon ou du gaz de schiste pour produire de l’électricité et alimenter ces réactions serait absurde », souligne Marc Robert. L’électricité doit provenir de sources renouvelables, et l’hydrogène nécessaire est fourni directement par l’eau.

Comprendre avant d’industrialiser

L’équipe a choisi, pour le moment, de ne pas breveter sa découverte, à la fois en raison de la forte concurrence internationale en termes de publication et des incertitudes sur ses applications à court et moyen terme. « Il y a aussi une part de prouesse scientifique », reconnaît Marc Robert. Montrer qu’il est possible de fabriquer des molécules complexes à partir d’une molécule à un seul atome de carbone constitue déjà en soi une avancée majeure.

Les recherches se poursuivent donc sur un terrain fondamental : comprendre comment se forment ces sucres, pourquoi la réaction est aussi sélective, et s’il est possible de contrôler la croissance des molécules produites. Pour Marc Robert, cette découverte illustre l’importance de la recherche fondamentale menée sur le long terme. « Ce résultat n’était ni prévu ni vraiment prévisible », confie-t-il. Il est le fruit de travaux soutenus par des financements publics, mais menés avec une réelle liberté scientifique.

Dans un contexte où la science est souvent sollicitée pour apporter des solutions immédiates, le chercheur rappelle que les découvertes les plus intéressantes naissent souvent d’explorations ouvertes. « Sorbonne Université offre un environnement propice à ce type de recherche, conclut-il, un écosystème vivant, où les disciplines interagissent et où les idées peuvent circuler librement. »