Le prestigieux Prix Schueller, décerné chaque année par le Groupe L’Oréal et la famille Bettencourt Meyers aux jeunes diplômés de Chimie ParisTech-PSL, récompense cette année Marie-Claire Pignié, diplômée Ingénieure de Chimie (promo 2018) et Docteure  en Chimie-Physique des matériaux (2022),  pour ses travaux novateurs sur les nanotubes d’imogolite et leur potentiel pour la production d’énergie solaire durable.

Une distinction d’excellence pour des recherches prometteuses. Créé en 1958 par Madame Liliane Bettencourt, fille d’Eugène Schueller (Promo 1904 de Chimie ParisTech-PSL) et fondateur de L’Oréal, le Prix Schueller vise à encourager l’innovation industrielle dans les domaines de la chimie moléculaire et des sciences du vivant. Il est décerné par la Direction Générale du Groupe L’Oréal et la famille Bettencourt Meyers à un jeune ingénieur diplômé de Chimie ParisTech-PSL, dans les cinq années suivant sa sortie de l’école. La remise du prix 2024 s’est tenue le 24 novembre dernier en présence de Christian Lerminiaux, Directeur de Chimie ParisTech-PSL, Ilaria Ciofini, Directrice Scientifique de Chimie ParisTech-PSL, Vincent Touraille, Président des Alumni de Chimie ParisTech-PSL, et Jean-Louis Brayer, Trésorier des Alumni de Chimie ParisTech-PSL. Le Groupe L’Oréal était représenté par la Famille Bettencourt-Meyers, Barbara Lavernos, Directrice Générale Adjointe en charge de la Recherche, de l’Innovation et de la Technologie, ainsi que Jean-Paul Agon, Président de L’Oréal.

Des nanotubes d’imogolite au service de l’énergie solaire. Marie-Claire Pignié a soutenu sa thèse en 2022, intitulée “Séparation de charges induite par la courbure dans des nanotubes inorganiques d’imogolite”, au laboratoire Laboratoire Interdisciplinaire sur l’Organisation Nanométrique et Supra Moléculaire du CEA . Ses travaux explorent les propriétés uniques des nanotubes d’imogolite, une argile naturelle tubulaire d’origine volcanique. La courbure particulière de ces nanotubes génère un champ électrique interne favorisant la séparation des porteurs de charge (électrons et trous) photo-générés, ce qui permet une activité   photocatalytique. Quatre axes principaux ont guidé sa recherche : observer et quantifier la différence de potentiel à travers la paroi des nanotubes, étudier le devenir des porteurs de charges séparés, comprendre les effets de la polarisation sur les molécules adsorbées aux surfaces, et caractériser la structure de bandes de ce semi-conducteur.

Marie-Claire, qu’est-ce qui vous a motivée à explorer les nanotubes d’imogolite pour la production d’énergie solaire ?

« L’étude des imogolites m’a été proposé en stage de fin d’étude, avant même la thèse. J’ai trouvé ces matériaux fascinants, de part leur méthode de synthèse par chimie douce, le fait que tout le matériau est défini par une surface réactive et qu’une partie importante de leur propriétés reste à découvrir. L’aspect photocatalytique des imogolites est apparu plus tard lors du processus d’étude de l’état de l’art en début de thèse. Un article de DFT (modélisation moléculaire) proposait l’imogolite comme un photocatalyseur (Poli, E. et al. The potential of imogolite nanotubes as (co-)photocatalysts: a linear-scaling density functional theory study. J. Phys. Condens. Matter 28, 074003 (2016)). Aucun travail n’avait encore été proposé pour démontrer expérimentalement cette hypothèse. Etant interessée par la décomposition photoélectrochimique de l’eau depuis mon stage dans le laboratoire du Professeur Bettina Lotsch de l’Institut Max Planck en Allemagne (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 510 –514  2017), il m’a paru naturel de tester l’éventuel capacité de l’imogolite pour ce water splitting ».

Quelles applications industrielles concrètes pourraient découler de vos recherches à court ou moyen terme ?

« La limite de mon travail de thèse ne s’arrêtait pas aux possibilités d’utilisation des imogolites pour des applications industrielles, avec le water splitting ou la dépollution, mais par la gamme de longueur d’onde absorbée pour créer des porteurs de charges. Il faut en effet irradier l’imogolite dans l’UV pour “débloquer” une activité photocatalytique. La suite des travaux sur ce sujet consiste à apporter des modifications à ce matériau pour lui permettre d’absorber le spectre solaire. On peut citer par exemple la méthode qui consiste à coiffer les imogolites de nanoparticules d’or (Sabyasachi Patra, Fabienne Testard, Sophie Le Caër, Frédéric Gobeaux, Lorette Sicard, et al.. Nanotubes d’imogolite associés à des nanoparticules d’or. Impact du mode de préparation sur la réactivité sous éclairement UV et visible. Or-Nano 2022- Du complexe moléculaire aux nanoparticules d’or, GdR CNRS n°2002, Mar 2022, Lyon, France). Je suis confiante que ce développement permettra de placer les imogolites sur la carte des photocatalyseurs en tant que nanoréacteur, matériau d’origine naturelle & synthétisé par chimie douce ».

Vers un futur énergétique durable. Grâce à une caractérisation expérimentale approfondie, Marie-Claire a montré que le rendement de production de dihydrogène par radiolyse de l’eau est significativement plus élevé dans les imogolites hydratées que dans l’eau liquide, ce qui démontre que le transfert d’énergie est total et qu’il existe une exaltation des phénomènes de radiolyse. La spectroscopie de réflexion diffuse et la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) ont permis de mesurer la structure de bandes et la polarisation interne, confirmant le potentiel des imogolites pour des applications en photocatalyse solaire. Ces résultats ouvrent la voie à l’utilisation des imogolites naturelles ou hybrides pour la production d’hydrogène et la dépollution, et posent les bases d’un nouveau domaine de recherche sur les nanomatériaux énergétiques durables. Les recherches futures viseront à optimiser ces propriétés et à intégrer ces nanotubes avec d’autres matériaux pour maximiser l’exploitation de l’énergie solaire.

Enfin, comment voyez-vous l’évolution de la photocatalyse solaire dans les cinq prochaines années ?

« La photocatalyse a sa place en tant que méthode chimique à valoriser dans de nombreuses industries, on peut  notemment citer:

• Défis Environnementaux Urgents : La photocatalyse offre une solution puissante pour adresser la pollution de l’eau (micropolluants, résidus pharmaceutiques) et de l’air (COV,NOx), des problèmes qui s’intensifient globalement. Les systèmes de traitement avancés par photocatalyse deviendront indispensables pour détruire les polluants émergents que les stations d’épuration classiques ne peuvent pas éliminer.

• Transition Énergétique : Elle est centrale dans la production d’hydrogène vert par photolyse de l’eau, un vecteur énergétique essentiel pour décarboner l’industrie et le transport.

• Matériaux Abondants et Non Toxiques : De nombreux photocatalyseurs étudiés pour des applications industrielles, comme le TIO2 ou l’Imogolite, sont peu coûteux, non toxiques et chimiquement stables, favorisant leur adoption à grande échelle.

• Économie Circulaire et Valorisation : La photocatalyse peut transformer des polluants ou du CO2 en produits chimiques utiles ou en carburants (réduction du CO2), s’inscrivant directement dans une logique d’économie circulaire.

• Faible Consommation Énergétique : Le processus utilise la lumière (solaire ou artificielle) comme seule source d’énergie, réduisant le besoin en électricité conventionnelle et les coûts opérationnels.

• Applications en Automobile et Bâtiment : Les revêtements photocatalytiques autonettoyants et dépolluants (pour façades, routes, vitres) vont se standardiser pour répondre aux normes de qualité de l’air ».

En savoir plus. 

Marie-Claire Pignié, Séparation de charges induite par la courbure dans des nanotubes d’aluminosilicate, thèse de doctorat sous la dorection de Antoine Thill, Sophie Le Caër, Université Paris-Saclay, 2022.