Compte tenu du besoin urgent de transformer la façon dont nous utilisons et produisons l’énergie, les chercheurs travaillent dur pour 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 coûteux de métaux précieux ou de métaux de terres rares dont l’abondance est limitée dans la croûte terrestre.
Bien que des progrès significatifs aient été réalisés ces dernières années en établissant des alternatives utilisant des éléments abondants sur terre, ces matériaux sont généralement très difficiles à produire car la production nécessite 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 doctorat. L’étudiant 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 lumière de faible énergie en lumière de haute énergie et en tant que photocatalyseur pour piloter des réactions chimiques, deux stratégies qui pourraient nous permettre de mieux utiliser notre énergie à l’avenir.
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 de l’American Chemical Society, les chercheurs introduisent une nouvelle approche pour la conception de complexes photoactifs stables basés sur un atome de molybdène en combinaison avec des ligands carbonyle. 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 nécessitent des mois pour être réalisés », a déclaré Alexander Fischer, qui a rejoint le laboratoire Heinze de JGU pour sa thèse de maîtrise et co-auteur de l’étude. « J’ai été étonné de voir qu’il était possible de synthétiser le complexe de molybdène en une seule journée. »
À l’aide des spectromètres laser sophistiqués disponibles chez JGU, MPIP et RPTU, l’équipe a montré que l’absorption de la lumière remplit un état excité dans le complexe qui persiste pendant plusieurs centaines de nanosecondes.
« Cela peut paraître court, mais c’est suffisamment long pour que l’état excité puisse être utilisé dans les transformations photochimiques », a expliqué Winald Kitzmann. « En fait, la nature de cet état est bien connue grâce aux matériaux à base de métaux précieux, nous savions donc déjà comment en tirer le meilleur parti. »
Excellents résultats lors des essais pratiques
Les complexes carbonyles conventionnels sont connus pour se décomposer sous l’irradiation lumineuse, un fait qui planait comme une épée de Damoclès sur le projet depuis le début. Cependant, le complexe de molybdène s’est révélé 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, responsable du groupe de recherche à l’origine de l’enquête. « Contrairement à de nombreux exemples précédents, l’applicabilité de notre complexe n’est pas limitée par une mauvaise photostabilité », a-t-elle ajouté.
Des calculs avancés de chimie quantique ont révélé les principales raisons de ce succès. Grâce à ces connaissances, les chercheurs ont pu proposer comment ces caractéristiques peuvent être incorporées dans les futurs matériaux conçus.
Pour l’application du matériau molybdène carbonyle, l’équipe a ciblé deux applications, à savoir la conversion ascendante des photons et la photocatalyse. Lors de la conversion ascendante 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 étendant le spectre solaire utilisé à une lumière de faible énergie. En photocatalyse, le complexe de molybdène est utilisé pour provoquer une réaction chimique avec la lumière, qui autrement nécessiterait des conditions difficiles pour se dérouler.
Dans les deux types d’expériences, le complexe s’est très bien comporté, approchant et même dépassant les composés de métaux précieux traditionnels dans certains cas. Dans l’ensemble, ces résultats constituent une contribution significative au domaine de la photochimie durable, offrant une voie prometteuse pour le développement de matériaux à faible coût dotés d’une photoactivité utile.
Plus d’information:
Winald R. Kitzmann et al, Complexe de molybdène (0) carbonyle stable pour la conversion ascendante et la catalyse photorédox, Journal de l’American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c03832