Des structures organométalliques pour les électrolyseurs améliorent l’efficacité de leurs réactions chimiques
Les cadres organométalliques (MOF) sont des matériaux cristallins poreux composés de molécules organiques (les «liaisons»), interconnectées avec des agrégats d’ions métalliques, formant des structures tridimensionnelles. Ces petites structures, mesurant jusqu’à environ 100 micromètres, sont ordonnées et hautement modulaires, et forment des matériaux aux propriétés très différentes. Elles ont été utilisées pour améliorer l’efficacité du stockage de l’hydrogène dans les bouteilles de gaz, et leur potentiel en tant que mécanisme de chargement et de libération de médicaments pour les traitements médicaux fait actuellement l’objet d’études. Récemment, les MOF ont été développés pour agir comme des électrocatalyseurs avec les unités catalytiques (une unité de mesure internationalement reconnue pour quantifier l’activité catalytique des enzymes) incluses dans les nœuds métalliques, dans les molécules de liaison ou même piégées dans les pores du MOF. Le projet MOFcat (Fundamental and Applied Science on Molecular Redox-Catalysts of Energy Relevance in Metal-Organic Frameworks), soutenu par le Conseil européen de la recherche, a étudié les électrolyseurs à base de MOF qui oxydent l’eau, générant les électrons et les protons nécessaires à la production de l’hydrogène et à la réduction du dioxyde de carbone (CO2). Dans les MOF développés, les nœuds métalliques fournissent un échafaudage, ce qui garantit l’intégrité structurelle et la longévité du MOF, tandis que les liaisons fournissent les sites pour les catalyseurs qui génèrent les réactions chimiques souhaitées. «Pour permettre l’électrocatalyse la plus efficace, nous avons mis au point de nouvelles méthodes d’analyse du transport des charges dans ces matériaux cristallins», explique Sascha Ott, chef du projet et rattaché à l’université d’Uppsala. «Nous avons découvert que les limitations étaient rarement causées par la fréquence de renouvellement des unités catalytiques, mais plutôt par des limitations de la vitesse de transport de la charge électrique à travers les MOF.»
Les avantages des MOF
Les MOF étant des matériaux hautement ordonnés, ils présentent un avantage considérable par rapport aux approches basées sur des solutions où le catalyseur n’est pas contrôlable. Le fait de placer précisément le catalyseur dans le MOF offre des possibilités d’interactions contrôlées et spécifiques au site qui améliorent ses performances. MOFcat a développé une plateforme photoélectrochimique exploitant l’énergie lumineuse pour accélérer les transformations chimiques. Cette nouvelle méthodologie peut être appliquée à la fois à la production de combustible et à la catalyse organique photoredox. Pour démontrer cette dernière, des MOF ont été utilisés pour recouvrir des semi‑conducteurs qui, lorsqu’ils sont éclairés, fournissent de l’énergie électrique pour effectuer des transformations chimiques. L’équipe a ensuite fabriqué plusieurs matériaux d’électrode à base de MOF. L’un d’entre eux, baptisé «UU‑100», a été synthétisé à partir du cobalt, un métal relativement abondant. UU‑100 a généré de l’hydrogène pendant 18 heures sans que son activité catalytique ne diminue. «L’incorporation de catalyseurs moléculaires à base de cobalt dans le MOF a augmenté le taux de renouvellement de l’hydrogène d’un facteur supérieur à 1 000, par rapport aux catalyseurs présents dans des solutions homogènes», explique Sascha Ott. La plupart des matériaux ont été caractérisés à l’aide de techniques d’électrochimie, parfois couplées à la spectroscopie ultraviolet‑visible. Par exemple, un MOF a été cultivé sur une électrode transparente où les liaisons changent de couleur lorsqu’elles sont réduites par voie électrochimique, ce qui permet d’observer le transport des charges à travers le film au fil du temps.
Une technologie qui ouvre des portes
La plateforme MOFcat offre une technologie à la fois plus efficace et plus propre que de nombreuses alternatives. Par exemple, avec la catalyse photoredox, les réactifs chimiques dits sacrificiels qui génèrent les électrons et les équivalents oxydants nécessaires à la catalyse restent dans le mélange sous forme de déchets chimiques. La plateforme MOFcat permet d’éviter cela. La chimie moléculaire précise de MOFcat permet également de régler avec précision la réactivité du catalyseur. Cela permet de réduire le CO2 tout en donnant des rendements plus élevés avec moins de sous‑produits qui seraient autrement complexes et coûteux à éliminer. Un autre exemple pourrait être la réduction électrochimique du CO2, pour la capture du carbone ou la génération de produits tels que le méthanol ou l’éthylène, qui n’est actuellement pas très sélective. Cela est particulièrement vrai lorsque des matériaux tels que les oxydes métalliques sont utilisés comme catalyseurs. «Notre technologie d’électrocatalyse à base de MOF électrochimique pourrait, en principe, être placée au niveau des sources émettrices de CO2 telles que les centrales électriques à combustibles fossiles ou les raffineries de pétrole, afin de réduire leurs émissions de CO2», ajoute Sascha Ott. L’équipe cherche maintenant à obtenir un soutien supplémentaire pour tester davantage de MOF dans différents modèles d’électrolyseurs et pour développer un prototype de leurs matériaux catalytiques MOF.
Mots‑clés
MOFcat, cadre organométallique, MOF, électrocatalyse, catalytique, hydrogène, dioxyde de carbone, CO2, photoredox, électrode, lumière
