Réduction efficace du dioxyde de carbone sous lumière visible avec un nouveau catalyseur peu coûteux

Un nouveau photocatalyseur à base de polymère de coordination pour la réduction du CO2 présente des performances sans précédent, donnant aux scientifiques de Tokyo Tech l’espoir dans la lutte contre le réchauffement climatique. Fabriqué à partir d’éléments abondants et ne nécessitant aucun traitement ou modification post-synthèse complexe, ce photocatalyseur prometteur pourrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de photocatalyseurs pour convertir efficacement le CO2 en produits chimiques utiles.

Le dioxyde de carbone (CO2) libéré dans l’atmosphère lors de la combustion de combustibles fossiles est l’une des principales causes du réchauffement climatique. Une façon de faire face à cette menace croissante consiste à développer des technologies de réduction du CO2, qui convertissent le CO2 en produits chimiques utiles, tels que le CO et l’acide formique (HCOOH). En particulier, les systèmes photocatalytiques de réduction du CO2 utilisent la lumière visible ou ultraviolette pour réduire le CO2, un peu comme la façon dont les plantes utilisent la lumière du soleil pour effectuer la photosynthèse. Au cours des dernières années, les scientifiques ont signalé de nombreux photocatalyseurs sophistiqués basés sur des cadres métallo-organiques et des polymères de coordination (PC). Malheureusement, la plupart d’entre eux nécessitent soit un traitement et des modifications post-synthèse complexes, soit sont fabriqués à partir de métaux précieux.

Dans une étude récente publiée dans Catalyse ACS, une équipe de recherche japonaise a trouvé un moyen de surmonter ces défis. Dirigée par le professeur adjoint spécialement nommé Yoshinobu Kamakura et le professeur Kazuhiko Maeda de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), l’équipe a développé un nouveau type de photocatalyseur pour la réduction du CO2 basé sur un PC contenant des liaisons plomb-soufre (Pb-S). Connu sous le nom de KGF-9, le nouveau CP consiste en une structure infinie (–Pb–S–) n avec des propriétés qui ne ressemblent à aucun autre photocatalyseur connu.

Par exemple, KGF-9 n’a ni pores ni vides, ce qui signifie qu’il a une faible surface. Malgré cela, cependant, il a atteint une performance de photoréduction spectaculaire. Sous irradiation en lumière visible à 400 nm, le KGF-9 a démontré un rendement quantique apparent (rendement de produit par photon absorbé) de 2,6 % et une sélectivité de plus de 99 % dans la réduction du CO2 en formiate (HCOO−). « Ces valeurs sont les plus élevées jamais signalées pour une réduction du CO2 en HCOO−, sans métal précieux et à un seul composant, pilotée par un photocatalyseur », déclare le professeur Maeda. « Notre travail pourrait faire la lumière sur le potentiel des PC non poreux en tant qu’unités de construction pour les systèmes de conversion photocatalytique du CO2. »

En plus de ses performances remarquables, le KGF-9 est plus facile à synthétiser et à utiliser que les autres photocatalyseurs. Étant donné que les sites actifs de Pb (où se produit la réduction de CO2) sont déjà « installés » à sa surface, le KGF-9 ne nécessite pas la présence d’un cocatalyseur, tel que des nanoparticules métalliques ou des complexes métalliques. De plus, il ne nécessite aucune autre modification post-synthèse pour fonctionner à température ambiante et sous éclairage en lumière visible.

L’équipe de Tokyo Tech explore déjà de nouvelles stratégies pour augmenter la surface du KGF-9 et améliorer encore ses performances. En tant que premier photocatalyseur avec Pb(II) comme centre actif, il y a de fortes chances que le KGF-9 ouvre la voie à une réduction de CO2 plus économiquement réalisable. À cet égard, l’équipe de recherche déclare : « Nous pensons que notre étude offre une opportunité sans précédent pour développer une nouvelle classe de photocatalyseurs peu coûteux pour la réduction du CO2, constitués d’éléments abondants dans la terre. »