Comment les pigments et les « MOF » les plus actifs de la biologie pourraient simplement sauver le climat

Certains des secteurs économiques les plus difficiles à décarboner bénéficieraient de l’émergence de catalyseurs sensiblement plus efficaces impliqués dans les réactions chimiques de conversion d’énergie. Une percée ici pourrait dépendre de l’utilisation de pigments largement déployés dans les processus biologiques intégrés comme catalyseur dans de nouvelles structures moléculaires hautement poreuses qui agissent un peu comme des éponges.

Un article décrivant l’état des lieux dans ce domaine et les défis auxquels il est confronté a été publié dans la revue Énergie de recherche nanométrique le 29 mai.

Ces dernières années, les porphyrines et les métalloporphyrines ont joué un rôle de plus en plus important dans la chimie biomimétique, l’utilisation de l’énergie solaire, la médecine et de nombreuses autres applications. Mais l’utilisation de porphyrines dans les réactions d’électrocatalyse et de photocatalyse au cœur de nombreux processus de conversion d’énergie utiles pour la transition propre s’est avérée instable, désactivée et difficile à recycler, ce qui a limité le développement ultérieur de ces technologies de conversion d’énergie.

Les scientifiques ont donc commencé à envisager l’intégration des porphyrines en tant que ligands organiques (l’ion qui se lie à un atome de métal central dans une molécule complexe) dans des structures moléculaires synthétiques appelées cadres organométalliques (MOF) et leurs cadres jumeaux organiques covalents. (COF) – connus sous le nom de matériaux de structure à base de porphyrine.

« Cela devrait en principe offrir d’excellentes performances d’électrocatalyse et de photocatalyse car les structures MOF et COF sont simples à synthétiser et hautement conçues, donc beaucoup plus contrôlables et structurellement stables », a déclaré Yusuke Yamauchi, co-auteur de l’article et chercheur à l’Australian Institut de bioingénierie et de nanotechnologie de l’Université du Queensland.

« Les chercheurs, qui sont eux-mêmes impliqués dans le développement de matériaux de cadre à base de porphyrine, ont rédigé un article de synthèse décrivant l’état des lieux dans leur domaine. De tels articles de synthèse sont nécessaires pour que les jeunes domaines progressent car ils clarifient la compréhension actuelle, discutent des avancées et des défis , identifier les lacunes de la recherche et peut même proposer des lignes directrices pour les politiques et des conseils sur les meilleures pratiques », Huan Pang, co-auteur de l’article et chercheur à l’École de chimie et de génie chimique de l’Université de Yangzhou, en Chine

L’article explore toutes les applications actuelles et potentielles des catalyseurs de matériaux de charpente à base de porphyrine et constate qu’il reste un grand potentiel, mais que le domaine est confronté à plusieurs défis.

Dans une économie où les émissions nettes de gaz à effet de serre sont nulles, tout ne peut pas être électrifié, en particulier le transport lourd longue distance, et donc une certaine forme de carburants propres, tels que les hydrocarbures synthétiques neutres en carbone, l’ammoniac ou l’hydrogène, sera nécessaire. Tous ces combustibles impliquent la conversion d’énergie propre, qu’elle provienne du soleil, du vent, de l’eau ou de l’uranium, en énergie chimique transportable et stable. Une partie de ce processus nécessite la production d’hydrogène propre grâce à l’utilisation d’électricité, de lumière ou de chaleur pour séparer l’eau en ses éléments constitutifs, l’hydrogène et l’oxygène.

Les hydrocarbures sont composés de différents rapports de carbone et d’hydrogène, d’où le nom. Ainsi, les versions synthétiques propres remplaçant leurs cousins ​​fossiles sales nécessiteront d’extraire le dioxyde de carbone de l’atmosphère et de le transformer en diverses formes utilisables de carbone comme intrant à marier à l’hydrogène propre. Abaisser le carbone atmosphérique et l’utiliser est également connu sous le nom de captage et d’utilisation du carbone (CCU).

Tous ces processus, et bien d’autres impliqués dans la transition propre (le passage des combustibles fossiles aux technologies propres) tels que l’utilisation des piles à combustible et la collecte de la lumière, sont en fait des réactions chimiques qui convertissent l’énergie d’une forme à une autre, une forme plus utilisable. . Ces réactions chimiques nécessitent l’ajout de substances appelées catalyseurs qui accélèrent la réaction. Certains de ces catalyseurs sont extrêmement coûteux, comme le platine, ou ne sont pas suffisamment efficaces pour que le produit final puisse concurrencer les combustibles fossiles ou produisent leurs propres problèmes environnementaux.

Ainsi, la chasse est lancée pour des catalyseurs plus efficaces, moins chers et plus propres tels que la porphyrine.

Le développement de catalyseurs efficaces de matériaux de charpente à base de porphyrines non précieuses pour remplacer les catalyseurs de métaux précieux reste un obstacle important. La conception et la construction de blocs de porphyrines reposent actuellement principalement sur une conception hautement symétrique, ce qui limite la diversité des familles de charpente de porphyrines et affecte leurs applications catalytiques potentielles. De nouvelles structures qui emploient des unités de porphyrine avec une conception asymétrique doivent être envisagées pour étendre l’utilité de la substance.

Le coût de préparation des matériaux de charpente porphyrine reste élevé et il est donc urgent que les ingénieurs développent de nouvelles méthodes de synthèse si ces catalyseurs doivent être repris dans des applications industrielles à grande échelle. Réduire le nombre d’étapes nécessaires à la synthèse est une recherche importante, mais il est également extrêmement difficile de le faire.

Ils concluent cependant que si de tels défis étaient surmontés, les matériaux de charpente à base de porphyrine pourraient changer la donne dans la commercialisation des procédés de conversion d’énergie essentiels pour certains des secteurs les plus difficiles à décarboner.

Les porphyrines font partie des substances les plus actives de la biologie. Cette classe de pigments est déployée dans un large éventail de processus vitaux, de la photosynthèse à la respiration. Les dérivés de ces molécules hydrosolubles en forme d’anneau qui lient les ions métalliques comprennent les chlorophylles des plantes et les hémoglobines qui transportent l’oxygène dans le sang des animaux. Ils améliorent également les activités catalytiques des enzymes dans une gamme d’autres réactions chimiques vitales. Les métalloporphyrines présentent un intérêt particulier en ce qui concerne la transition propre en raison de leur rôle de catalyseurs dans la séparation de l’eau pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène.

Fourni par Tsinghua University Press