Conversion supérieure de la lumière en énergie chimique grâce aux dyades coulombiennes
Les scientifiques ont créé une nouvelle classe de photocatalyseurs qui utilisent plus efficacement les métaux précieux
Inspirés par la photosynthèse naturelle, les photocatalyseurs utilisent la lumière pour déclencher une réaction chimique qui, autrement, ne se produirait qu'à des températures élevées ou dans des conditions difficiles. Pour que ce concept soit largement applicable de manière économique, l'efficacité quantique de la transformation induite par la lumière doit être élevée. Les photocatalyseurs sur mesure présentant une efficacité exceptionnelle dans les applications photocatalytiques sont souvent composés de deux unités photoactives avec une liaison covalente entre les deux. Ces dyades moléculaires doivent être préparées dans le cadre d'une synthèse en plusieurs étapes, ce qui explique qu'elles soient trop coûteuses pour des applications à grande échelle. Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Christoph Kerzig de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) a découvert une nouvelle approche pour la préparation directe de photocatalyseurs dyades hautement efficaces. Deux sels disponibles dans le commerce sont mélangés et, grâce à des interactions électrostatiques attractives, c'est-à-dire des interactions de Coulomb, les unités photoactives forment une paire d'ions qui leur permet d'interagir de manière synergique. "Le concept est comparable aux interactions attractives entre les ions sodium et chlorure dans le sel de table", explique Matthias Schmitz, auteur principal de cette étude, qui a commencé à travailler sur la photocatalyse en 2022. Le manuscrit sur les dyades coulombiennes a été publié récemment dans le Journal of the American Chemical Society.
Préparation simple et propriétés supérieures de la nouvelle classe de catalyseurs à dyade coulombienne
© Matthias Schmitz
Une approche totalement différente et d'excellents résultats dans les premières réactions d'essai
Actuellement, de nombreux scientifiques tentent d'"apprendre" aux métaux non précieux à se comporter comme des catalyseurs bien établis basés sur des éléments coûteux tels que l'iridium, le ruthénium ou l'osmium. Toutefois, la préparation de ces photocatalyseurs métalliques abondants sur Terre nécessite souvent des ligands sophistiqués dont la synthèse prend beaucoup de temps et de ressources. En revanche, notre approche repose sur des photocatalyseurs établis et nous ajoutons "simplement" des additifs peu coûteux pour améliorer encore leurs performances et leurs caractéristiques de durabilité", explique M. Kerzig. "Cette stratégie permet d'utiliser beaucoup plus efficacement un photocatalyseur à base de métal donné, de sorte que la quantité de catalyseur nécessaire peut être considérablement réduite", a-t-il ajouté.
Les dyades coulombiennes décrites dans cet article ont été identifiées et optimisées grâce à une approche guidée par la spectroscopie. Les dispositifs laser à grande échelle mis au point par le groupe de Kerzig ont été utilisés pour comprendre toutes les étapes clés de la réaction, depuis l'absorption de la lumière par le complexe métallique jusqu'à l'activation des molécules qui stockent l'énergie des photons. Les premières réactions d'essai avec la nouvelle classe de catalyseurs comprennent des réactions dans lesquelles de nouvelles liaisons chimiques entre deux atomes de carbone sont formées et la photooxygénation d'un matériau de départ dérivé du bois. Les résultats ont révélé que la dyade coulombienne est plus efficace que les catalyseurs établis et généralement plus coûteux. La lumière générée par le soleil et les diodes électroluminescentes peut donc être utilisée et convertie de manière plus efficace pour obtenir des produits chimiques à valeur ajoutée.
Travaux en cours sur ce concept polyvalent
De nombreux photocatalyseurs largement utilisés sont de nature ionique. Les chercheurs pensent donc que cette nouvelle approche pourrait être développée en une stratégie générale visant à améliorer l'efficacité des réactions induites par la lumière. Leurs résultats expérimentaux très prometteurs montrent que le solvant a un effet crucial. En fonction du solvant, différentes dyades coulombiennes peuvent être conçues dans une approche de boîte à outils en combinant différents anions et cations photoactifs.
La Fondation allemande pour la recherche (DFG) finance cette recherche par le biais d'une bourse de recherche individuelle et les Fonds de l'industrie chimique soutiennent ce projet par le biais d'une bourse de doctorat pour Matthias Schmitz. Ce financement généreux permettra de poursuivre les activités de recherche dans cette direction, ce qui devrait permettre de réaliser des photoréactions à l'échelle industrielle avec la nouvelle classe de photocatalyseurs.
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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