Un complexe de molybdène à faible coût ouvre la voie à une photochimie durable
Des scientifiques utilisent le molybdène pour la photocatalyse et l'upconversion des photons
Compte tenu de la nécessité urgente de transformer la manière dont nous utilisons et produisons l'énergie, les chercheurs s'efforcent de trouver des matériaux durables et rentables pour les applications chimiques basées sur la lumière. À ce jour, ce domaine de recherche s'appuie fortement sur des complexes de métaux précieux ou de terres rares coûteux, dont l'abondance dans la croûte terrestre est limitée. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés ces dernières années pour trouver des solutions de remplacement utilisant des éléments abondants sur terre, ces matériaux sont généralement très difficiles à fabriquer car ils nécessitent des synthèses en plusieurs étapes gourmandes en ressources. Cependant, une équipe de chercheurs de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), de l'université de Kaiserslautern-Landau (RPTU) et de l'institut Max Planck pour la recherche sur les polymères (MPIP), dirigée par le professeur Katja Heinze et son doctorant Winald Kitzmann, a réalisé une percée significative en combinant le meilleur des deux mondes : un métal abondant et peu coûteux, le molybdène, avec une méthode de synthèse simple. L'équipe a démontré la polyvalence de la molécule en l'appliquant à la conversion de la lumière de faible énergie en lumière de haute énergie et en tant que photocatalyseur pour stimuler les réactions chimiques - deux stratégies qui pourraient nous permettre de mieux utiliser notre énergie à l'avenir.
Un processus de synthèse simple en deux étapes
Dans leur article intitulé "Stable Molybdenum(0) Carbonyl Complex for Upconversion and Photoredox Catalysis" publié dans le Journal of the American Chemical Society, les chercheurs présentent une nouvelle approche de la conception de complexes photoactifs stables basés sur un atome de molybdène en combinaison avec des ligands carbonylés. La synthèse de cette molécule est très simple et ne nécessite que deux étapes. "De nombreux exemples cités dans la littérature scientifique ont des propriétés fantastiques, mais leur fabrication prend des mois", a déclaré Alexander Fischer, qui a rejoint le laboratoire Heinze à l'université JGU pour son mémoire de maîtrise et qui est coauteur de l'étude. "J'ai été stupéfait de voir qu'il était possible de synthétiser le complexe de molybdène en une seule journée.
En utilisant les spectromètres laser sophistiqués disponibles à la JGU, au MPIP et au RPTU, l'équipe a montré que l'absorption de la lumière alimente un état excité dans le complexe qui persiste pendant plusieurs centaines de nanosecondes. "Cela peut sembler court, mais c'est suffisamment long pour que l'état excité puisse être utilisé dans des transformations photochimiques", explique Winald Kitzmann. "En fait, la nature de cet état est bien connue des matériaux à base de métaux précieux, et nous savions donc déjà comment l'utiliser au mieux."
D'excellents résultats dans les essais pratiques
Les complexes carbonylés conventionnels sont connus pour se décomposer sous l'effet de la lumière, un fait qui a pesé comme une épée de Damoclès sur le projet dès le début. Cependant, le complexe de molybdène s'est avéré hautement photostable. "Cette stabilité remarquable de notre nouveau composé - même avec des intensités lumineuses élevées - nous a vraiment surpris", se souvient le professeur Katja Heinz, chef du groupe de recherche qui a mené l'étude. "Contrairement à de nombreux exemples précédents, l'applicabilité de notre complexe n'est pas limitée par une faible photostabilité", a-t-elle ajouté. Des calculs chimiques quantiques avancés ont révélé les principales raisons de ce succès. Forts de ces connaissances, les chercheurs ont pu proposer des moyens d'intégrer ces caractéristiques dans les futurs matériaux conçus.
Pour l'application du matériau molybdène-carbonyle, l'équipe a ciblé deux applications, à savoir la conversion de photons et la photocatalyse. Dans la conversion de photons, deux photons de faible énergie sont convertis en un photon de haute énergie, un processus qui peut en principe augmenter l'efficacité des cellules solaires en élargissant le spectre solaire utilisé à la lumière de faible énergie. En photocatalyse, le complexe de molybdène est utilisé pour stimuler une réaction chimique à l'aide de la lumière, qui nécessiterait autrement des conditions difficiles pour se produire. Dans ces deux types d'expériences, le complexe a donné d'excellents résultats, approchant et même dépassant dans certains cas les composés traditionnels de métaux précieux.
La collaboration, clé du succès
Dans l'ensemble, ces résultats constituent une contribution importante au domaine de la photochimie durable, offrant une voie prometteuse pour le développement de matériaux peu coûteux dotés d'une photo-activité utile. "La collaboration a joué un rôle essentiel dans la réussite de ce projet", conclut le professeur Katja Heinze. "Ce n'est qu'en mettant en commun notre expertise et nos ressources que nous avons pu relever les différents défis et obtenir ces résultats remarquables. Les efforts de collaboration des chercheurs de JGU, RPTU et MPIP ont non seulement démontré la faisabilité de l'utilisation du molybdène en tant que métal bon marché abondant sur Terre, mais ont également présenté une conception simple qui évite le recours à des ligands complexes. "Nous sommes ravis de présenter nos résultats sur ce complexe carbonyle de molybdène photostable", a déclaré Winald Kitzmann. "Nous sommes également ravis des applications potentielles et des progrès futurs qui pourraient découler de notre travail.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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