Protection de catalyseurs sensibles à l'oxygène en conditions réductrices – PROSECCO

L'utilisation de dihydrogène ou de dioxyde de carbone dans le contexte de la production d'énergie décarbonée exige qu'on résolve les verrous liés à la sensibilité à l'oxygène des catalyseurs synthétiques ou naturels à base de métaux de transition. Les partenaires de ce projet ont développé une stratégie permettant l'oxydation du dihydrogène en présence d'air, qui consiste à immobiliser les catalyseurs sensibles à l'oxygène dans des matrices polymériques d'épaisseur micrométriques déposées sur des électrodes; la production d'équivalents réducteurs à partir de l'oxydation catalytique d'une partie du dihydrogène entrant permet de réduire et ainsi éliminer le dioxygène à l'interface film/solution et l'empêche ainsi de pénétrer le film (JACS 141 16734 2019). Des résultats plus récents des partenaires (Nature Catalysis 4 251 2021) ouvrent la voie à une autre stratégie, explorée dans PROSECCO, qui permettrait de protéger ces catalyseurs dans des conditions _réductrices_ (par ex. pour la production du dihydrogène ou la réduction du CO2). Ce nouveau mécanisme de protection nécessite qu'une fraction du dihydrogène produit de façon catalytique près de l'électrode soit réoxydée près de l'interface film/solution pour réduire le dioxygène entrant. Nous explorerons cette nouvelle approche après avoir synthétisé et optimisé des polymères rédox et des métalloenzymes qui transforment le dihydrogène et le CO2 (tâche 1), et développé les modèles cinétiques permettant de comprendre la catalyse rédox bidirectionnelle dans des films en l'absence de dioxygène (tâche 2). Dans la tâche 3 nous explorerons l'effet de l'oxygène à la fois théoriquement et expérimentalement, en utilisant des catalyseurs biologiques très efficaces, mais sensibles à l'oxygène, de la production du dihydrogène et la réduction du CO2. Nous utiliserons une approche qui combine étroitement les compétences des deux partenaires en biochimie (synthèse et optimisation de métalloenzymes), chimie de synthèse (polymères, dendrimères), physicochimie (caractérisation des films de polymères par électrochimie) et modélisation (résolutions numérique et analytique de systèmes de réaction-diffusion). Le task 2 aura un résultat très important et général pour la communauté scientifique en électrochimie et catalyse, à un moment où nous contribuons justement à montrer l'intérêt et la complexité de la catalyse bidirectionnelle (Fourmond et al, Nat. Rem. Chem. in press 2021). Les résultats du Task 3 seront aussi très généraux et utiles, puisque la stratégie que nous mettrons au point avec des enzymes pourra être utilisée avec de nombreux catalyseurs inorganiques synthétiques de réactions importantes dans le domaine de l'énergie.