Concevoir des matériaux de structure multifonctionnels pour une photocatalyse durable

L’objectif d’une chimie durable a motivé les chimistes à utiliser des énergies renouvelables dans les réactions chimiques, minimisant ainsi les déchets dangereux et maximisant l’économie atomique. La nature fournit un modèle de photosynthèse, dans lequel les glucides sont produits à partir de dioxyde de carbone et d’eau sous l’irradiation du soleil.

Cependant, en s’appuyant sur un système complexe impliquant plusieurs enzymes et antennes de collecte de lumière, ce processus présente un rendement de conversion de l’énergie solaire intrinsèquement faible. Les systèmes photosynthétiques artificiels font l’objet d’une recherche scientifique de longue date et offrent des solutions potentielles à une chimie durable.

Une équipe de l’Université de Chicago, dirigée par le professeur Wenbin Lin, a travaillé au développement de systèmes photocatalytiques artificiels utilisant des matériaux de structure, une classe de matériaux poreux formés par la liaison périodique de blocs de construction métalliques et organiques.

En utilisant des techniques de pointe pour caractériser ces matériaux, les chercheurs ont acquis une compréhension approfondie du fonctionnement de ces systèmes artificiels au niveau moléculaire. Ces connaissances leur ont permis d’affiner les matériaux pour diverses réactions induites par la lumière.

Dans une mini-revue publiée dans L’avenir du carbone le 13 septembre 2024, les chercheurs ont résumé leurs récentes réalisations en matière de photosynthèse artificielle et de photocatalyse pour mettre en évidence les avancées clés et les opportunités futures.

« La nature effectue une chimie de précision dans les organismes pour fabriquer des molécules complexes, souvent en sacrifiant l’efficacité », a déclaré le professeur Wenbin Lin.

« Nous devons surpasser la nature pour relever les défis auxquels nous sommes confrontés aujourd’hui et, heureusement, grâce à un contrôle précis des structures et des compositions des matériaux de structure, nous avons développé des systèmes artificiels qui surpassent considérablement leurs analogues homogènes. »

La revue illustre comment les modifications chimiques des matériaux de charpente peuvent affiner leurs performances dans des réactions de type photosynthèse.

Pour atteindre ces objectifs, l’équipe a identifié les composants essentiels et vérifié leurs rôles. Les photosensibilisateurs, comme la chlorophylle, absorbent l’énergie lumineuse. Les catalyseurs, comme les enzymes, utilisent cette énergie pour déclencher des réactions chimiques. Ces photosensibilisateurs et catalyseurs dotés d’une cinétique de transfert d’énergie et d’électrons soigneusement adaptée ont été incorporés dans des matériaux de structure.

« L’incorporation des bons photosensibilisateurs et catalyseurs dans les matériaux de structure peut améliorer leurs performances de plus d’un ordre de grandeur par rapport à de simples mélanges de photosensibilisateurs et de catalyseurs dans des solutions », a expliqué Lin.

L’équipe a démontré des améliorations significatives dans une douzaine de types de réactions photocatalytiques utilisant ces matériaux. Cette amélioration provient d’un effet de « pré-organisation », que l’on retrouve également dans les systèmes naturels, où les photosensibilisateurs et les catalyseurs sont disposés à des endroits spécifiques pour stimuler les réactions chimiques.

Les matériaux de charpente sont facilement récupérés des mélanges réactionnels par centrifugation ou filtration. Les matériaux récupérés sont utilisés dans des réactions ultérieures sans perte d’activités catalytiques. Dans un exemple, le matériau de structure a été utilisé dans huit cycles de synthèse en un seul pot d’un agent cardiotonique sans dégradation des performances catalytiques.

« Nous pensons que cette percée recèle un grand potentiel pour la synthèse durable de produits pharmaceutiques et d’autres produits à valeur ajoutée, et ces efforts de recherche contribueront à un avenir plus durable », a déclaré Lin.

« Les principes que nous avons appris ici peuvent être appliqués à de nombreux autres systèmes. » L’équipe espère que leur examen inspirera d’autres chercheurs à concevoir rationnellement d’autres matériaux catalytiques au niveau moléculaire.

Le premier auteur était Yingjie Fan (Ph.D. ’24, maintenant chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley).