Marc Fontecave, lauréat du prix ENI 2024 pour la transition énergétique

Biographie de Marc Fontecave

Après un doctorat à l'Ecole Normale Supérieure de Paris (1984), un post-doctorat au Karolinska Institute de Stockholm en Suède (1985-1986) et 20 ans en tant que professeur de chimie à l'Université Joseph Fourier de Grenoble (1988-2008), Marc Fontecave est depuis 2009 professeur au Collège de France et titulaire de la Chaire de chimie des processus biologiques. Il est directeur du laboratoire du même intitulé (CNRS/Collège de France/Sorbonne Université). Il est membre de l'Académie des sciences depuis 2005, où il préside le Comité de l'énergie depuis 2019, membre de l'Academia Europaea depuis 2010 et membre de l'Académie royale des sciences de Suède depuis 2019. 

Description des travaux récompensés

Le dioxyde de carbone (CO2), capturé à partir de sources ponctuelles (centrales électriques, cimenteries, aciéries) ou dans l'atmosphère, est une alternative prometteuse aux sources de carbone fossile. Un tel scénario dépend du développement de technologies bon marché et efficaces pour la conversion du CO2 en composés carbonés à forte densité énergétique, notamment les hydrocarbures et les alcools, utiles pour l'industrie, les transports, la production de chaleur, etc. Il est intéressant de noter que ces produits peuvent être considérés comme neutres en carbone puisque leur combustion émet du CO2 précédemment détourné de l'atmosphère.

Parmi ces technologies, l'électrolyse directe du CO2, et de son dérivé le monoxyde de carbone (CO), fait l'objet d'intenses recherches dans les laboratoires académiques et industriels. Elle consiste en la réduction du CO2 (ou du CO) en hydrocarbures, tels que l'éthylène, ou en alcools, tels que l'éthanol et le propanol, à la cathode de l'électrolyseur et en l'oxydation de l'eau en oxygène à l'anode. L'énergie nécessaire est fournie par des sources électriques, idéalement à faible teneur en carbone (par exemple l'énergie solaire, en couplant des panneaux solaires à l'électrolyseur). Comme ces réactions sont cinétiquement limitées, des catalyseurs sont absolument nécessaires à la fois à la cathode et à l'anode.

Les recherches de Marc Fontecave ont conduit à des réalisations majeures dans le développement de catalyseurs aux performances exquises (efficacité, sélectivité, stabilité) et d'électrolyseurs optimisés aux rendements énergétiques les plus élevés. Ceci a été opéré par une approche originale et multidisciplinaire, à la fois fondamentale et technologique. Sur le plan de la catalyse, des complexes moléculaires bioinspirés originaux et des matériaux hétérogènes ont été découverts, tandis que sur le plan des électrolyseurs, diverses configurations de cellules (phase liquide vs phase gazeuse ; cellules H, cellules à flux avec électrodes à diffusion gazeuse, assemblages membrane-électrodes, cellules à pression) et conditions de réaction (membranes, électrolytes, pression) ont été explorées. Le laboratoire de Fontecave a géré l'ensemble de la chaîne depuis la synthèse (molécules et matériaux), l'ingénierie cellulaire jusqu'à la caractérisation fonctionnelle. On peut citer : (i) les premiers catalyseurs moléculaires actifs bioinspirés, à savoir les complexes dithiolène-métal imitant les sites actifs des formate- et CO-déshydrogénases ; (ii) la découverte de catalyseurs à atome unique pour la production d'éthanol ; (iii) les surfaces de Cu modifiées moléculairement pour améliorer la sélectivité ; (iv) catalyseurs sélectifs dérivés du nitrure de cuivre pour la réduction du CO en éthylène et propanol ; (v) systèmes photovoltaïques/électrolyseurs pour la production solaire d'hydrocarbures avec une efficacité record ; (vi) électrolyse acide du CO2 avec une utilisation élevée (> 85%) du CO2 ; (vii) catalyseurs d'oxydation de l'eau pour l'anode avec des performances record. Ces réalisations sont considérées comme étant à la pointe de l'innovation dans le domaine de la catalyse.

L'applicabilité industrielle est l'un des objectifs des découvertes hautement brevetées mentionnées ci-dessus. Le développement d'électrolyseurs pertinents pour l'industrie est réalisé en collaboration avec un certain nombre de partenaires industriels (en particulier TotalEnergies et Veolia). L'innovation de Marc Fontecave dans les nouveaux catalyseurs (métaux non nobles) et dispositifs (hautes densités de courant et basses tensions) pour l'utilisation du CO2/CO est essentielle pour défossiliser durablement la société via la production de précurseurs clés pour l'industrie chimique à faible coût et à faible empreinte carbone, suscitant ainsi un intérêt enthousiaste de la part de l'industrie.