Une catalyse biomimétique artificielle convertissant le CO2 en carburants verts

Contexte

Le développement social et la crise énergétique ont accru la demande de combustibles chimiques. De plus, les concentrations croissantes de CO₂ dans l'atmosphère en raison des activités humaines telles que la combustion excessive de combustibles fossiles, les émissions de gaz d'échappement et la respiration ont eu une série d'impacts terribles, notamment le réchauffement climatique, la désertification et l'élévation du niveau de la mer. L'une des plus grandes innovations dans l'atténuation de la crise énergétique et de l'effet de serre a été la conversion des gaz à effet de serre en CO₂ en composés de matières premières chimiques pour carburants tels que CH₄ , CO, et d'autres petites molécules avec la lumière visible (on l'appelle photoréduction, dans le jargon scientifique) [1]. La supériorité la plus remarquable de la photoréduction est qu'elle peut être pilotée par la lumière visible par rapport à l'électroréduction qui est activée par une tension appliquée ou une réduction thermique à haute température. De plus, environ la moitié de la lumière solaire se situe dans le domaine visible. Cependant, le faible taux de production et la sélectivité en raison des voies de réaction multiples et d'une variété de produits limitent considérablement l'application pratique à grande échelle du CO₂ réduction.

Les défis de la réduction catalytique du CO₂ aux carburants à valeur ajoutée idéalement basés sur des éléments bon marché et riches en terre plutôt que sur des métaux précieux sont l'efficacité, la stabilité et la sélectivité [2]. Jusqu'à présent, les principales méthodes répondant à ces défis se répartissent en trois catégories :le criblage des métaux de transition [3] avec une activité catalytique élevée en tant que sites actifs tels que Fe, Co et Ni ; formation de structures macrocycliques organiques pour améliorer la stabilité à long terme [4] ; et la modification du ligand [5] pour renforcer la sélectivité du produit souhaitée. Dans chaque approche, l'élément métallique sélectionné et la conception structurelle contribuent tous deux aux performances catalytiques finales et à la sélectivité du produit.

Les structures organiques macrocycliques (OMS) enchaînant des éléments de métaux de transition sont des catalyseurs très populaires utilisés dans le CO₂ réduction, où les éléments métalliques agissent comme des sites actifs catalytiques pour adsorber et lier le CO₂ molécules [6]. L'OMS microporeux peut offrir une plus grande surface spécifique, c'est-à-dire des sites plus actifs pour soutenir les réactions catalytiques. Néanmoins, l'OMS d'origine peut ne pas posséder les performances catalytiques optimisées. L'optimisation de la structure telle que la modification du ligand améliorerait l'activité catalytique, en particulier la sélectivité des produits, en induisant des interactions internes telles que les liaisons H qui peuvent stabiliser les intermédiaires spécifiques en faveur de l'obtention des produits souhaités.

Expérimental

Inspirés de la photosynthèse des plantes, Rao et al. [7] a conçu de manière créative un système photocatalytique biomimétique basé sur un catalyseur de fer moléculaire qui a miraculeusement produit du CH₄ du CO₂ à température et pression ambiantes. Une telle découverte frontalière et significative a été publiée dans Nature.

Rao et ses collaborateurs ont judicieusement conçu un complexe de fer (élément de métal de transition) tétraphénylporphyrine (structure macrocyclique organique) fonctionnalisé avec des groupes triméthylammonio (modification du ligand) comme catalyseur pour réduire le CO₂ . Ce système catalytique fonctionnait dans un CO₂ -acétonitrile saturé (CH₃ CN) solution contenant un photosensibilisateur à lumière visible visant à capturer des photons provenant d'une irradiation lumineuse et à fournir de l'énergie (hυ) pour les réactions redox ainsi qu'un donneur d'électrons sacrificiel utilisé pour fournir des électrons sur commande photo-induite par photosensibilisateur pour réduire le CO ₂ . L'ensemble du système était significativement stable et piloté par la lumière visible (λ> 420 nm) à 1 atm et à température ambiante.

Discussion

De plus, Rao et al. a d'abord signalé que le système catalytique ci-dessus dont le catalyseur était connu comme l'électrocatalyseur moléculaire le plus efficace et le plus sélectif pour réduire le CO₂ au CO dans un processus à deux électrons, pourrait également être appliqué pour la réduction à huit électrons [8] de CO₂ au CH₄ . Ils ont découvert une fonction entièrement nouvelle de ce catalyseur de fer moléculaire dans des conditions modérées. Pendant ce temps, les auteurs ont analysé et vérifié le mécanisme de réaction de la procédure en deux étapes qui a d'abord réduit le CO₂ en CO, puis converti en CO en CH₄ avec 82% des CH₄ sélectivité par des expériences de marquage isotopique et des expériences à blanc pour la première fois. En outre, ils ont également découvert qu'une condition méta-acide pourrait jouer un rôle de donneur de protons ainsi que de donneur de liaison H envers les intermédiaires stabilisés [7, 9] mais que la sélectivité en hydrogène des sous-produits non souhaités augmenterait non plus.

Gaz à effet de serre CO₂ les molécules étaient adsorbées à la surface du catalyseur ou plus précisément sur les sites actifs du métal Fe et déformées de la structure linéaire à un certain angle; donc CO₂ les molécules ont été activées [10] et ont formé Fe–CO₂ adduit. De plus, cet adduit était en outre protoné en réagissant avec H ⁺ à partir de la solution et formé d'un adduit Fe-CO déshydratant un H₂ O molécule. Les intermédiaires du CO pourraient être obtenus par hydrogénation à ce moment. Ensuite, les molécules de CO ont été à nouveau liées aux sites métalliques actifs par le biais d'un processus ultérieur de protonation et de transfert d'électrons en plusieurs étapes et ont produit du CH₄ le gaz finissant par se désorber de la surface du catalyseur. Plus tard, ce catalyseur réutilisé au prochain cycle catalytique de CO₂ molécules (Fig. 1).

Un croquis de la photoréduction du CO₂ au CH₄

Conclusions

Le système catalytique qu'ils ont conçu était bi-fonctionnel, pour catalyser non seulement une réduction relativement simple de deux électrons en CO, mais également une réduction de huit électrons en CH₄ en utilisant un seul catalyseur dans des conditions très facilement satisfaites. Ce fut un progrès profond car un catalyseur peut catalyser efficacement une certaine réaction en général. La découverte édifiante de Rao et al. a suscité un grand intérêt sur la photoréduction du CO₂ à valeur ajoutée CH₄ et a inspiré les efforts futurs dans ce domaine. Un inconvénient de ce rapport est que les auteurs n'ont pas encore déchiffré plus en détail le mécanisme de réduction; sinon, cela aidera à développer un système catalytique plus efficace amélioré du point de vue du mécanisme. Le gaz combustible moins cher peut être produit lorsque le taux de production est amélioré via l'optimisation de la structure et des conditions.

Le système catalytique conçu par Rao et al. a d'autres propriétés prometteuses en plus de celles décrites ici. Par exemple, il peut convertir le gaz toxique CO en carburant vert CH₄ juste par irradiation lumineuse. Une conversion aussi simple mais significative pourrait guider un nouvel engouement pour transformer les déchets en richesse de manière écologique et efficace. L'application et le développement de leur découverte pourraient constituer la base d'une nouvelle branche du CO₂ photoréduction ou conversion de gaz toxique.