Thèse Conversion de Déchets Plastiques Polyoléfiniques en Glycols par Photo-Électrocatalyse H/F

Université de Lille

Établissement : Université de Lille
École doctorale : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
Laboratoire de recherche : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Direction de la thèse : Rabah BOUKHERROUB ORCID 0000000297959888
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

L'utilisation généralisée des produits en plastique exige une gestion appropriée de leur fin de vie afin de réduire les menaces environnementales liées aux décharges et de récupérer des produits à valeur ajoutée à partir des déchets. Actuellement, plus de 4,9 milliards de tonnes de produits plastiques non dégradables consommés et mis au rebut sont éliminés principalement par mise en décharge et incinération, et ce chiffre devrait atteindre environ 13 milliards de tonnes d'ici à 2050. Les polyoléfines, telles que le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP), représentent plus de 70 % de l'ensemble des déchets plastiques. Cependant, les déchets de PE sont aujourd'hui traités par pyrolyse ou gazéification à des températures élevées (>400°C), ce qui entraîne des compositions de produits complexes (y compris des gaz hydrocarbonés, des huiles, des cires et du coke) et une consommation d'énergie substantielle. Bien que divers systèmes de réaction (tels que Fenton et l'oxydation chimique) aient été mis au point pour réaliser la décomposition à basse température des déchets de polyoléfines, la production sélective et la séparation des produits à valeur ajoutée restent un défi pratique.
La photocatalyse solaire offre une approche propre et durable pour les conversions chimiques dans des conditions ambiantes. En tandem avec la dépolymérisation à basse température, elle est prometteuse pour la conversion photocatalytique des déchets de PE et de PP en carburants et produits chimiques de valeur dans des conditions douces. L'éthylène (CH) et le propylène (CH) sont des matières premières chimiques importantes qui sont généralement produites par craquage à la vapeur à haute température (>800°C). Les déchets de PE et de PP représentent des ressources inexploitées pour la production de CH et de CH ; cependant, la conversion solaire de PE en CH et de PP en CH reste un défi. L'inertie chimique des polymères non polaires et la réactivité incontrôlable des intermédiaires radicaux entravent la conversion du PE et du PP et la sélectivité des produits.
Les diols vicinaux, ou glycols d'oléfines légères, sont des composés industriels essentiels largement utilisés dans la fabrication de polyesters, d'antigels, de produits pharmaceutiques et d'autres produits importants. La production à grande échelle d'éthylène et de propylène glycols (EG et PG) atteint environ 60 millions de tonnes métriques par an. La principale méthode de production de ces composés comporte deux étapes : l'oxydation de l'éthylène et du propylène à l'aide d'oxygène ou de HO, respectivement, pour former leurs époxydes, suivie d'une hydrolyse acide pour produire des diols. Malgré une productivité élevée, ces procédés présentent des risques pour la sécurité, une forte consommation d'énergie et une faible sélectivité. Par conséquent, il serait hautement souhaitable de trouver d'autres voies pour la synthèse du glycol à partir du PE et du PP.
Ce projet relèvera ces défis en développant un processus de synthèse sélective des glycols par la dépolymérisation du PE et du PP. Cette stratégie implique la dépolymérisation photocatalytique du PE et du PP en oléfines, combinée à l'oxydation électrocatalytique de ces produits intermédiaires en glycols. Des métaux à atome unique récemment développés, stabilisés par des hétéropolyacides et supportés par le TiO en tant que semi-conducteur, devraient présenter une activité élevée dans la dépolymérisation des polyoléfines, suivie d'une oxydation efficace sur les électrodes. Le processus résultant vise à permettre la conversion des polyoléfines en glycols avec une efficacité allant jusqu'à 70 %, ce qui permet d'obtenir plusieurs grammes de glycols par jour.

Depuis les années 1950, les plastiques ont été largement utilisés en raison de leurs propriétés uniques, notamment leur faible coût, leur légèreté, leur durabilité, leur facilité de transformation et leur polyvalence. Ces caractéristiques ont conduit à une omniprésence des plastiques dans notre vie quotidienne, allant des emballages et textiles à la construction et aux équipements médicaux. En conséquence, la production mondiale de plastiques a connu une croissance exponentielle au cours des dernières décennies, avec plus de 370 millions de tonnes produites en 2024. Malheureusement, plus de 90 % des déchets plastiques ont été incinérés, accumulés dans des décharges ou dispersés dans l'environnement naturel, ce qui constitue une menace pour les écosystèmes et la santé humaine (1).
Les méthodes traditionnelles de gestion des déchets plastiques comprennent la mise en décharge, l'incinération, le recyclage mécanique et le recyclage chimique (par exemple, la pyrolyse, la gazéification et le craquage catalytique). Comparées à la mise en décharge et à l'incinération, les méthodes de recyclage mécanique et chimique sont plus respectueuses de l'environnement et permettent de produire des produits à forte valeur ajoutée. Cependant, ces méthodes nécessitent une importante consommation d'énergie, comme le montrent les processus de collecte et de tri pour le recyclage mécanique ou les températures élevées (jusqu'à 850 °C) requises pour le recyclage chimique, ce qui limite leur durabilité (2).
Les plastiques polyoléfines (PO), qui incluent le polyéthylène basse densité (LDPE), le polyéthylène basse densité linéaire (LLDPE), le polyéthylène haute densité (HDPE) et le polypropylène (PP), sont les plastiques les plus couramment utilisés. Ils représentent plus de 60 % de la demande mondiale de plastiques et plus de la moitié des déchets plastiques, en raison de leur abondance et de leur faible coût. La nature régulière et non polaire des liaisons C-C dans les plastiques PO les rend chimiquement inertes et résistants aux environnements acides et alcalins, ce qui entraîne des processus énergivores pour rompre ces liaisons C-C solides. Cela nécessite des conditions de réaction sévères, comme des températures élevées, pour surmonter les contraintes cinétiques et thermodynamiques associées à la rupture endothermique des liaisons C-C. Cependant, des développements récents ont introduit de nouvelles voies pour convertir les déchets plastiques PO dans des conditions douces.
La photocatalyse a récemment émergé comme une méthode puissante pour la dépolymérisation dans des conditions douces, offrant une réactivité chimique unique et ouvrant de nouvelles perspectives et voies de réaction. La rupture des liaisons covalentes dans les polymères induite par la lumière peut être classée en plusieurs techniques distinctes, qui diffèrent par leurs principes fondamentaux et les types de produits obtenus. La photodégradation est la méthode la plus largement étudiée. Elle implique des processus non sélectifs visant à convertir les polymères en CO et HO. Cependant, atteindre des rendements élevés dans un délai raisonnable reste un défi scientifique. Étant donné que le principal produit est le CO, difficile à convertir en produits chimiques plus utiles, la photodégradation présente une valeur économique limitée. La photoreformage et la catalyse photothermique sont d'autres méthodes activées par la lumière, qui intègrent toutes deux des processus thermiques (3). La photoreformage des plastiques vise la génération photocatalytique d'H, tandis que les catalyseurs photothermiques absorbent l'énergie solaire pour générer des températures locales élevées, permettant la conversion des plastiques en molécules de valeur. Cependant, ces processus thermiques génèrent souvent des quantités importantes de sous-produits.
Une combinaison de photo- et d'électrocatalyse est plus souhaitable, car elle permet des conditions de réaction douces et l'utilisation d'énergie renouvelable pour convertir sélectivement les polymères en produits de valeur (4,5).

L'objectif de ce projet est de développer un processus innovant pour la conversion sélective du polyéthylène et du polypropylène en glycols par conversion photo-électrocatalytique à température ambiante. Cela se fait grâce à la dépolymérisation photocatalytique des polyoléfines en oléfines, suivie d'une oxydation électrocatalytique en glycols. Cette approche, comparée aux méthodes conventionnelles telles que la gazéification, la pyrolyse et le craquage, vise à transformer les polymères en produits à haute valeur ajoutée en utilisant des énergies renouvelables avec une sélectivité et une productivité élevées.