Recycler le dioxyde de carbone permettrait de réduire son accumulation atmosphérique, l'une des principales causes du réchauffement climatique. Les approches de photo-catalyse directement inspirées de la photosynthèse naturelle pourraient aider les chimistes à relever ce grand défi. Or, de nombreuses questions non résolues demeurent et doivent être adressées pour relever ce défi. Depuis plusieurs années, l'équipe de Winfried Leibl (B3S/I2BC) développe, en collaboration avec celle du Pr Ally Aukauloo (ICMMO, Orsay), une famille de catalyseurs bio-inspirés de type porphyrine de fer particulièrement prometteurs pour l'électro-réduction catalytique du CO2.
Afin d'exploiter plus directement l'énergie solaire, les chercheurs ont utilisé leur catalyseur, constitué d'une porphyrine de fer décorée de fonctions urée (UrFe), agissant comme un échafaudage de liaisons hydrogène multiples stabilisant le substrat CO2 (voir actu Joliot), couplé à un photo-chromophore pour conduire la réaction par la lumière. Ils ont réussi à obtenir une activité catalytique spectaculaire pour la photo-réduction du CO2 en CO en présence de la porphyrine UrFe, qui surpasse largement les activités obtenues avec des porphyrines de fer sans groupes urée. Pour expliquer ce résultat sans précédent, des études mécanistiques ont été menées afin d'élucider les étapes clés de la réaction induite par la lumière : elles mettent en évidence une voie différente dans le cas de la porphyrine UrFe qui permet à la réaction de se faire en une seule étape de transfert d'électrons pour former l'état actif du catalyseur capable de lier le CO2, au lieu de deux étapes.
Ce travail a révélé que les catalyseurs de type porphyrines UrFe précédemment développés par l'équipe pour l'électro catalyse du CO2 peuvent être employés avec succès dans une approche photo catalytique. L'amélioration sans précédent de l'activité ainsi obtenue constitue un nouveau paradigme dans la réduction catalytique du CO2.
Cette étude, illustrée en page de couverture du journal Angewandte Chemie du 9 mars 2022 (vol. 61 n°14), a également fait l'objet d'un Very Important Paper (VIP) dans cette revue.
Contacts : Winfried Leibl (winfried.leibl@cea.fr); Ally Aukauloo (ally.aukauloo@universite-paris-saclay.fr)
* ICMMO : Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay
** ISMO : Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay
-Un catalyseur accélère une réaction chimique, ce qui minimise l'énergie nécessaire à la réaction, et n'est pas consommé au cours de celle-ci, constituant ainsi un processus durable.
-Une porphyrine de fer est une molécule à structure macrocyclique, comme l'hème de l'hémoglobine qui sert à fixer le dioxygène dans les globules rouges.