Assemblages covalents de complexes de coordination de métaux non nobles pour la photocatalyse – BICEPS

Le dioxyde de carbone (CO2) est une matière première abondante et renouvelable qui pourrait être utilisée pour la production de produits chimiques et de combustibles riches en énergie. La transformation du CO2 est cependant un défi, étant donné son inertie chimique. Il existe donc un besoin pressant de développer des catalyseurs de réduction du CO2 efficaces, robustes et économiquement viables. Dans le programme BICEPS, nous visons à développer des systèmes moléculaires basés sur des éléments abondants sur Terre pour réduire le CO2 en CO, une molécule de grande valeur, en utilisant la lumière visible comme source d'énergie principale.
Il existe peu de systèmes photocatalytiques moléculaires efficaces basés entièrement sur des métaux non nobles. Nous visons à combler cette lacune en concevant et en synthétisant des photocatalyseurs moléculaires basés sur des complexes de coordination de Cu et de Ni. Sur la base de nos réalisations antérieures, des complexes homoleptiques de Cu(I)-phenanthroline et des complexes macrocycliques de Ni(II) sont choisis comme modèles de photosensibilisateurs (PS) et de catalyseurs moléculaires (MC), respectivement, qui seront couplés efficacement par des liens covalents (espaceur). Nous émettons l'hypothèse que la conception rationnelle des liens covalents unissant PS et MC permettra d'ajuster la séparation de charge photo-induite et les étapes de réduction multi-électronique du CO2.
Notre hypothèse sera testée par les tâches de recherche suivantes :
- Préparation d'un ensemble de dyades PS-espaceur-MC basées uniquement sur des éléments abondants sur Terre où les structures moléculaires des espaceurs entre PS et MC seront systématiquement modifiées ;
- Étudier les structures et les propriétés photocatalytiques des systèmes PS-espaceur-MC ;
- étudier les mécanismes photocatalytiques en combinant de la spectroélectrochimie infrarouge in-situ, de la spectroscopie d'absorption des rayons X résolue dans le temps.

Ce projet est le fruit d'une collaboration internationale entre le CEISAM de Nantes Université (France) et le groupe Photocatalyse de l'Université du New Hampshire (UNH, USA). Ces deux équipes ont les expertises complémentaires pour faire aboutir le projet: le laboratoire CEISAM s'occupe de la synthèse des ligands et des complexes, et l'équipe de l'UNH se concentre sur la photocatalyse et l'étude spectroscopique. Les deux équipes ont entamé une collaboration depuis le symposium virtuel NSF-ANR (octobre 2022) et depuis travaillent ensemble sur la photo-réduction du CO2 à l'aide de catalyseurs moléculaires. Cette collaboration s’est déjà concrétisée par une visite de 15 jours d’un doctorant du CEISAM à l’UNH (Octobre 2023) pour un perfectionnement en photocatalyse, et par la rédaction (en cours) de publications.

Le projet BICEPS s'appuiera sur cette dynamique pour faire progresser la compréhension fondamentale de la photocatalyse moléculaire en vue d'une production efficace de carburant solaire.