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Le méthane est un fléau climatique autant qu'une ressource énergétique gaspillée. À Marseille, le projet BOOM fusionne la chimie supramoléculaire et la catalyse bio-inspirée pour transformer ce gaz rebelle en carburant liquide.

Le défi du méthane : du gaspillage gazeux à l'alternative liquide.

Le traitement du méthane représente aujourd'hui un casse-tête environnemental majeur. Comme le rappelle Cédric Colomban de l’Institut des Sciences Moléculaires de Marseille1 (iSm2), « c’est un gaz à effet de serre puissant, encore plus puissant que le CO2. Même s’il en est moins rejeté dans l’atmosphère, il a un pouvoir de réchauffement environ trente fois supérieur. » En 2022 le GIEC a identifié la réduction des émissions de méthane, provenant notamment de l'industrie des hydrocarbures, comme un levier majeur pour limiter le réchauffement climatique à court terme. Sous sa forme gazeuse, ce composé s'avère particulièrement volatil et complexe à canaliser ou à stocker sur ses lieux d'extraction.
En raison de sa grande stabilité chimique, les industriels ne disposent pas de solutions simples pour le valoriser directement sur place, ils choisissent donc fréquemment de le détruire en le brûlant à la torche. Une opération qui dissipe purement et simplement son potentiel énergétique tout en rejetant d'importantes quantités de dioxyde de carbone (CO₂) dans l'atmosphère. Face à ce double constat, réussir à métamorphoser ce gaz insaisissable en méthanol, un combustible liquide stable et facilement transportable, s'impose comme une stratégie d'avenir pour transformer un déchet atmosphérique en une ressource énergétique durable.

Image de la structure réelle d’une molécule cage capable d’héberger le méthane au sein de sa cavité interne. Cette structure est révélée avec une très grande précision grâce à la technique de la diffraction des rayons X sur monocristal. © Cédric Colomban

La fragilité du méthanol face au défi de la suroxydation

L’obstacle majeur dans la transformation directe du méthane tient à un équilibre chimique paradoxal. « Le méthane est une molécule extrêmement stable. Il fait partie des molécules les plus stables en chimie organique », souligne le chercheur. « Cela nécessite des molécules oxydantes particulièrement fortes, particulièrement puissantes, et entraîne le problème de suroxydation. »
Pour bien comprendre, l'oxydation est une réaction chimique durant laquelle une molécule réagit avec un oxydant (comme l'oxygène de l'air), ce qui modifie sa structure. Dans notre cas, oxyder modérément le méthane permet de lui ajouter un atome d'oxygène pour obtenir du méthanol. C'est là que le piège se referme : le méthanol liquide obtenu est beaucoup plus vulnérable et réactif que le gaz initial. Avec un oxydant traditionnel dénué de protection, le processus s'emballe. Les agents chimiques continuent d'oxyder le méthanol à peine synthétisé. Cette dégradation successive, appelée suroxydation, engendre des sous-produits indésirables comme l'acide formique ou le dioxyde de carbone, détruisant le carburant recherché.

Une architecture moléculaire tridimensionnelle inspirée du vivant

Pour Cédric Colomban, ce projet s'inscrit dans une philosophie de travail très personnelle : « La bio-inspiration, c’est quelque chose qui m’a suivi toute ma carrière. » C’est précisément en exploitant ces principes que les scientifiques du projet BOOM ambitionnent de contourner le blocage de la suroxydation.  « Nous nous intéressons à reproduire la chimie des enzymes au sein de modèles artificiels », explique Cédric Colomban. « On s’intéresse particulièrement à des catalyseurs artificiels dotés d’une structure cage qui mime la cavité enzymatique. »
L'équipe analyse l'ingéniosité des mécanismes biologiques naturels (les méthane monooxygénases), aptes à opérer cette synthèse à température ambiante grâce à l’isolement de leur site réactif au sein d'une enveloppe protectrice. Pour le chercheur, « cet exemple de la conversion du méthane en méthanol est particulièrement bien adapté parce qu’on a vraiment un effet de la cage qui permet de répondre à cet enjeu de la suroxydation. »
En s'appuyant sur la chimie supramoléculaire, l'équipe conçoit des structures tridimensionnelles closes à l'échelle sub-nanométrique. À cette taille sub-nanométrique infiniment petite, de l'ordre du millième de milliardième de mètre, on touche directement à la dimension des atomes. Dans cette discipline (la chimie supramoléculaire), on ne cherche plus à fabriquer des molécules individuelles, mais on assemble plusieurs molécules entre elles comme des briques de Lego pour créer des structures pouvant se reconnaître, s’attirer et s’organiser spontanément. L’enfermement de complexes de fer, au centre de ces cages supramoléculaires, crée un véritable bouclier. Cette enveloppe artificielle fait office de tamis sélectif. Elle attire le méthane mais rejette aussitôt le méthanol produit, le mettant définitivement à l'abri d'une altération destructrice.

Schéma représentant l’oxydation sélective du méthane (CH₄) en méthanol (CH₃OH). Le méthanol formé est éjecté hors de la molécule cage et ne peut plus y pénétrer, ce qui limite sa suroxydation. © Cédric Colomban

Des fondements théoriques aux futurs dispositifs décentralisés

Désormais engagé dans sa phase finale après plusieurs années de développements, le projet BOOM s’est enrichi de partenariats internationaux impliquant notamment un laboratoire italien, l’équipe du Professeur Giorgio Olivo à l’Université "La Sapienza" de Rome. Grâce à des outils de caractérisation de pointe comme la résonance magnétique nucléaire et la diffraction des rayons X, l’équipe ajuste la configuration de ces micro-environnements en temps réel.
Ces investigations fondamentales ont également révélé des comportements moléculaires surprenants et inédits lorsque les structures sont soumises à la lumière. Au point que les scientifiques explorent de nouveaux horizons : « Le projet a permis de lever les premiers verrous, Nous avons découvert un nouveau mécanisme qui, dans le futur, peut aussi aider les biologistes. »
Bien que ces recherches soient d'ordre fondamental, elles apportent des solutions clés indispensables à la conception future de procédés de conversion durables, économiquement viables et exploitables localement. Les travaux, notamment réalisés lors des thèses du Dr Anna Baidiuk et de Mme Beatris Onzimba, ont déjà abouti à des avancées majeures : « Pour la première fois, nous avons créé une cage artificielle s’approchant des systèmes biologiques car capable de changer de forme, d’adapter sa forme à un substrat invité pour mieux le reconnaitre », résume Cédric Colomban. Ces technologies pourront, à terme, être déployées au sein de petites structures agricoles ou de méthaniseurs de proximité.

Représentation d’une cage moléculaire capable de changer de forme afin de s’adapter à celle d’un substrat invité (ici, une molécule sphérique). La cage passe d’une conformation fermée (à gauche) à une conformation ouverte épousant parfaitement la forme de l’invité (à droite). © Cédric Colomban

Découvrez également l'article d'actualité scientifique publié par l'Institut de Chimie du CNRS : Une cage moléculaire inspirée du vivant pour capturer et transformer des molécules

Publications de référence :

• Inorganic Chemistry, 2019, 58, 11, 7220–7228 : "Bioinspired Oxidation of Methane in the Confined Spaces of Molecular Cages."
• JACS Au, 2024, 4, 5, 1996–2006 : "Light-Induced Reactivity Switch at O2-Activating Bioinspired Copper(I) Complexes."
• J. Am. Chem. Soc., 2026, 148, 15, 15761–15770: “A pH-Responsive Cu-Corrole-Based Cage That Reversibly Encapsulates Fullerene in a Shapeshifting Low-Symmetry Cavity.”