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Towards Artificial Enzymes: Bio-inspired Oxidations in Photoactive Metal-Organic Frameworks

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Utiliser des cadres organométalliques pour contribuer à créer des applications énergétiques plus efficientes

Les cadres organométalliques sont susceptibles de jouer un rôle important dans le développement de solutions énergétiques durables. Le défi consiste cependant à déterminer comment exploiter au mieux ce potentiel. Pour y parvenir, des chercheurs ont développé de nouveaux processus synthétiques pour générer des ensembles de matériaux structurellement fascinants et hautement fonctionnels.

Énergie
Recherche fondamentale

Les cadres organométalliques (MOF) sont des matériaux poreux définis par des ions métalliques ou des agrégats inorganiques connectés via des liaisons organiques rigides. Grâce à leurs grandes surfaces, à leur capacité à être modifiés et à leur construction modulaire sans précédent qui permet de répliquer les principales caractéristiques d’enzymes naturelles, ces matériaux sont susceptibles de jouer un rôle important dans le stockage et la conversion de l’énergie. Le défi consiste toutefois à déterminer comment exploiter au mieux les MOF dans des applications d’énergie durable, une question dont s’est saisi le projet Supramol (Towards Artificial Enzymes: Bio-inspired Oxidations in Photoactive Metal-Organic Frameworks), financé par l’UE. «En tirant parti des motifs constitutionnels collectant la lumière, nous entendons développer des MOF solides et poreux qui emploient l’absorption de la lumière comme un déclencheur d’événements de transfert d’électrons, nécessaires pour activer le processus catalytique», indique Wolfgang Schmitt, chercheur principal du projet, également professeur de chimie au Trinity College de Dublin. Selon Wolfgang Schmitt, l’objectif ultime est de fournir une preuve de concept pour le développement de systèmes photocatalytiques capables de catalyser les réactions d’oxydation de l’H2O hautement endogènes. «Parvenir à ce résultat constituerait une percée majeure et représenterait un pas de géant vers la mise en œuvre de concepts énergétiques durables basés sur l’hydrogène», ajoute-t-il.

Déjà plusieurs conclusions de taille

Bien que ce projet soutenu par le Conseil européen de la recherche soit toujours en cours, il est déjà parvenu à tirer plusieurs conclusions importantes. Par exemple, les chercheurs ont réussi à catalyser l’oxydation de l’H2O en utilisant une espèce bio-inspirée basée sur le manganèse, dont les caractéristiques structurelles sont comparables au photosystème II naturel (PS-II). On retrouve le PS-II dans la membrane thylakoïde des plantes, des algues et des cyanobactéries, et il s’agit du premier complexe protéique qui intervient dans les réactions dépendantes de la lumière lors de la photosynthèse oxygénique. «Cette approche pourrait permettre de déterminer une nouvelle voie conceptionnelle pour le développement de catalyseurs efficaces destinés aux technologies de conversion énergétique directe “solaire vers combustible”», explique Wolfgang Schmitt. Le projet a également préparé des MOF hautement poreux au sein desquels des unités catalytiquement actives sont liées à travers des métalloligands collectant la lumière basés sur le ruthénium. «Il est remarquable de constater que le système peut être synthétisé de manière électrochimique à partir de solutions réactives hautement diluées, puis assemblé directement en quelques minutes à la surface des électrodes», indique-t-il. À l’aide de recherches photophysiques, les chercheurs ont confirmé que les propriétés de collecte de la lumière des métalloligands de ruthénium-pyridine sont conservées dans les MOF. «Cette caractéristique est cruciale pour faciliter le transfert rapide d’énergie et d’électrons nécessaire à la catalyse efficiente de la réaction d’oxydation de l’eau, ou pour toute autre transformation énergétique», ajoute Wolfgang Schmitt. D’autres résultats importants incluent la découverte d’une approche synthétique des cages moléculaires sphériques à grand diamètre transversal, et la découverte de matériaux dotés d’affinités élevées avec les molécules de gaz de CO2.

Inspirer de nouveaux projets de recherche collaborative

Le projet est également parvenu à développer des processus synthétiques pour générer des ensembles de matériaux structurellement stables et hautement fonctionnels. «Certains de ces matériaux sont photoactifs», explique Wolfgang Schmitt. «D’autres sont par exemple capables d’être synthétisés en quelques minutes pour former des électrodes directement à la surface.» Les chercheurs emploient désormais ces composés pour développer des dispositifs photo-électrocatalytiques utilisables dans le cadre de multiples transformations d’oxydoréduction photo-électrocatalytique, y compris l’oxydation de l’eau, la réduction du CO2, et la transformation de réactifs organiques. «Les matériaux développés lors du projet Supramol inspireront de nouveaux projets de recherche collaborative», conclut Wolfgang Schmitt. «Cela pourrait inclure non seulement des recherches sur de nouvelles relations structure-réactivité, mais également des approches ascendantes de MOF dotés de propriétés physico-chimiques améliorées qui vont au-delà de l’oxydation catalytique de l’eau.»

Mots‑clés

Supramol, cadres organométalliques, énergie durable, métal, matériaux, stockage de l’énergie, processus catalytique, système photocatalytique, hydrogène

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