Photo-ElectroCatalysis: New activation paradigm

Description du projet

Lumière et électricité: une union prometteuse

Le développement de nouveaux procédés chimiques durables serait impossible sans catalyse. Les catalyseurs accélèrent les réactions sans être consommés au cours du processus en abaissant la barrière énergétique nécessaire pour permettre à la réaction de se produire. De cette façon, les réactions peuvent se faire à des températures plus basses, et dans des conditions généralement plus douces. La lumière et l’électricité sont deux formes d’énergie «accordables» qui peuvent permettre l’activation de molécules par transfert d’un seul électron. La photocatalyse et l’électrocatalyse ont joué un rôle important dans des applications allant de la synthèse et de la détection organiques aux piles à combustible et aux batteries, mais elles ont rarement été utilisées ensemble jusqu’à présent. Le projet PECaN, financé par l’UE, s’appuiera sur un modèle de calcul pour concevoir des systèmes photoélectrocatalytiques utiles pour l’activation de substrats particulièrement complexes. Cela permettra la conception rationnelle de systèmes catalytiques utilisant la lumière et l’électricité, deux sources d’énergie renouvelables, afin d’accéder à une multitude de réactions importantes sur le plan industriel.

Objectif

Due to a high sustainability and to a straightforward tunability of the energy input (wavelength, redox potential), the use of light and electricity for the activation of organic molecules constitutes an attractive method in the toolkit of the organic chemist. Consequently, photochemistry and electrochemistry are both undergoing a renaissance in the recent decade, mainly in the form of photo- and electro- catalysis. Both of these activation modes share many traits, as they proceed via single electron transfer mechanisms. It is obvious that a method which would combine both photo- and electro- catalysis can take advantage from these similarities, while alleviating the problems encountered with application of photo- or electro- catalysis alone. Yet, combination of these two activation modes was seldom achieved so far.
The objective of this action is to develop a catalytic system, which combines photochemical and electrochemical steps in order to achieve the required reduction potential for the activation of challenging substrates. The work will be initiated with a computational benchmarking study aimed at to identify the best available method for the theoretical prediction of redox potentials. This will allow for a rational design of catalytic systems, and eventually the tailoring of a set of new catalysts to specific photo-electro catalytic transformations. To achieve optimal reaction conditions, different cell designs will be tested for a photo-electrochemical test reaction. Finally, the optimized cell and the new catalysts will be applied in radical cyclizations of demanding substrates.
The HI is able to provide both equipment as well as know-how in a broad variety of fields, which is imperative for such an interdisciplinary project. The project will boost the fellow’s research skills and help him to kick-start his independent research career in Slovakia.