Architectures Moléculaires Artificielles pour Mimer le Schéma en Z de la Photosynthèse – MolecularZScheme

La photosynthèse est un processus biologique fondamental qui est à l’origine de la quasi-totalité de l’énergie métabolique dans les organismes vivants de la biosphère. Reproduire ce processus photobiologique complexe représente un formidable défi scientifique car il déboucherait sur une application pratique déterminante telle que la production de combustibles solaires. Ces travaux s’inscrivent donc dans le contexte de recherches fondamentales (photosynthèse artificielle), mais ils ouvrent la possibilité d’exploiter l’énergie solaire qui est compatible avec un développement durable. A ce jour, la majorité des systèmes moléculaires biomimétiques de la photosynthèse nécessitent l’utilisation des donneurs d’électrons sacrificiels pour fonctionner. Aussi l’activation de substrats par la lumière implique la consommation de réactifs souvent coûteux. Cette limitation est liée au fait qu’il est difficile de photogénérer en même temps un fort oxydant et un fort réducteur avec un seul photon du spectre visible. L’utilisation de l’eau à la place du donneur sacrificiel exige de pouvoir générer en parallèle, grâce à la lumière, à la fois un oxydant puissant et un réducteur significativement efficace. L’objectif de ce projet vise à la conception et à la synthèse/élaboration de matériaux moléculaires permettant de reproduire pour la première fois la fonction du schéma en Z de l’appareil photosynthétique naturel. L’appareil photosynthétique des plantes comporte effectivement deux photosystèmes différents (PSI et PSII) qui fonctionnent de concert pour oxyder l’eau en oxygène et réduire le NADP+ en NADPH. Ce projet envisage d’employer une nouvelle approche conceptuelle qui va très au-delà de celles généralement explorées dans le domaine de la photosynthèse artificielle et constituerait de ce fait une rupture dans l’état de l’art. Il consiste à coupler électriquement deux processus de séparations photoinduites de charges qui résulteraient de l’absorption de deux photons distincts au sein de deux systèmes moléculaires photosensibles indépendants. A l’instar de la photosynthèse naturelle, cette stratégie permet de générer, à partir la lumière du spectre visible, un état à charges séparées à haut contenu énergétique et représente une fonction photochimique fondamentale pour réaliser efficacement des réactions chimiques très endergoniques, comme la photo-décomposition de l’eau en oxygène et en hydrogène. Lors de ce projet, nous explorerons deux approches distinctes pour reproduire le schéma en Z. La première consistera à synthétiser puis relier de manière covalente deux photosystèmes homogènes classiques de types S-D ou S-A (S=sensibilisateur ; D=donneur d’électron ; A=accepteur d’électron) dont les propriétés photophysiques auront été étudiées au préalable. Un photosystème (mime de PSI) produira un fort réducteur alors que l’autre (mime de PSII) conduira à un oxydant puissant. La deuxième stratégie repose sur l’utilisation d’un semi-conducteur (tel que TiO2) sur lequel sera immobilisée une architecture composée d’un sensibilisateur et d’un mime de PSII. La pertinence et la faisabilité de ces deux approches se fondent sur les résultats de nos travaux antérieurs qui résultent d’une collaboration fructueuse entre une équipe de chimistes et celle d’un photophysicien spécialiste de la photosynthèse artificielle.