Photosynthèse artificielle: du CO2 aux carburants – PhotoCarb

«Les approches développées dans le cadre de PhotoCarb sont: (i) synthèse de ligands organiques et synthèse de complexes de coordination; (ii) synthèse de systèmes supramoléculaires associant catalyseurs, polyoxométallates et photosensibilisateurs; (iii) mise en oeuvre de méthodes de greffage de molécules sur des surfaces d'oxydes métalliques transparents (ITO/FTO); (iv) caractérisation électrochimique (voltammétrie cyclique électrolyse à potentiel contrôlé) et photochimique (sous irradiation) des composés en solution et sur surface ; (v) analyse des produits gazeux et liquides des produits de réaction; (vi) développement d'une cellule photoélectrochimique.
«

Découverte d'une nouvelle famille de catalyseurs moléculaires basée sur des ligands dithiiolènes pour la réduction électrochimique du CO2; synthèse et caractérisation du premier complexe bioinspiré à Molybdène, mimant le site actif des formiate déshydrogénases, capable de catalyser la réduction photochimique du CO2; fonctionnalisation de complexes diphosphine de cobalt permettant leur solubilisation dans l'eau; synthèse des premiers complexes supramoléculaires associant un catalyseur et un polyoxométallate démontrant un effet stimulant du polyoxométallate sur la réduction électrochimique du CO2; premières photocathodes associant un photosensibilsateur moléculaire et un polyoxométallate, montrant un effet du polyoxométallate sur les photocourants. L'ensemble de ces résultats permettent d'envisager un développement efficace du projet vers la mise au point d'une cellule photoélectrochimique moléculaire.

Les deux premières tâches ont été explorées en parallèle. Les faits marquants: Découverte d'une nouvelle famille de catalyseurs moléculaires basée sur des ligands dithiolènes pour la réduction électrochimique du CO2; synthèse et caractérisation du premier complexe bioinspiré à Molybdène, mimant le site actif des formiate déshydrogénases, capable de catalyser la réduction photochimique du CO2. Les autres faits marquants sont indiqués dans le paragraphe ci-dessus. L'ensemble de ces résultats permettent d'envisager un développement efficace du projet vers la mise au point d'une cellule photoélectrochimique moléculaire, qui permettrait la production de carburants solaires à partir de CO2.

«A Bioinspired Nickel(bis-dithiolene) Complex as a Novel Homogeneous Catalyst for Carbon Dioxide Electroreduction
T. Fogeron, T. K. Todorova, J.-P. Porcher, M. Gomez-Mingot, L.-M. Chamoreau, C. Mellot-Draznieks, Y. Li, M. Fontecave
ACS Catalysis 2018, 8, 2030-2038
Pyranopterin Related Dithiolene Molybdenum Complexes as Homogeneous Catalysts for CO2 Photoreduction
T. Fogeron, P. Retailleau, L.-M. Chamoreau, Y. Li, M. Fontecave
Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018 sous presse
Nickel complexes based on molybdopterin-like dithiolenes: catalysts for CO2 electroreduction
T. Fogeron, P. Retailleau, M. Gomez-Mingot, Y. Li, M. Fontecave
Organometallics 2018 (soumis)«

Le développement des énergies renouvelables à grande échelle comme l’énergie solaire nécessite de nouvelles technologies de stockage électrochimique et chimique. Une option fascinante consiste à transformer le CO2 en molécules carbonées riches en énergie comme le font les organismes vivants photosynthétiques. Ces derniers possèdent des machineries multiprotéiques complexes pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en biomasse en utilisant l’énergie du soleil. PhotoCarb vise à développer de nouveaux dispositifs de stockage d’énergie en utilisant l’approche de la photosynthèse artificielle. Il s’agit de préparer, caractériser, hétérogénéiser des assemblages originaux de type photosensibilisateur/réservoir d’électrons/catalyseur moléculaire et d’évaluer leurs performances pour la photoélectroréduction du CO2. L’objectif de PhotoCarb est de développer une cellule photoélectrochimique complète basée exclusivement sur des métaux non-nobles, abondants et bon marché. Le projet sera divisé en trois tâches. La première tâche aura pour but l’optimisation des catalyseurs déjà évalués pendant le précédent projet ANR CarBioRed, des complexes de type metal-terpyridine (métal= Co, Ni or Mn), des complexes cobalt-diphosphine-cyclopentadienyl et des complexes de type métal-dithiolene (métal= Ni et Mo). De plus, PhotoCarb propose le couplage de ces catalyseurs avec des réservoirs d’électrons et de protons destinés à faciliter les processus multi-électroniques et multi-protoniques mis en œuvre. Les polyoxométalates (POMs) sont des composés particulièrement adaptés pour explorer le potentiel de tels assemblages moléculaires. La tâche 2 sélectionnera les meilleurs systèmes pour les intégrer dans des photocathodes via leur immobilisation sur des semi-conducteurs ou des oxydes métalliques sensibilisés par des colorants, et évaluera leurs performances. Finalement, la tâche 3 aura pour but d’incorporer les photocathodes les plus performantes au sein d’une cellule photoélectrochimique complète. Cette recherche fournira des nouvelles connaissances à des questions fondamentales sur le transfert multi-proton multi-electron pour la réduction du CO2 et contribuera à exploiter cette connaissance pour la construction d’un dispositif photoélectrochimique prototype, qui reste encore à construire.