Roman Étain

Jan 06, 2024

La demande sans fin de carburants riches en carbone pour stimuler l'économie continue d'ajouter de plus en plus de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère. Si des efforts sont faits pour réduire les émissions de CO2, cela ne suffit pas à lui seul à contrer les effets néfastes du gaz déjà présent dans l'atmosphère. Ainsi, les scientifiques ont trouvé des moyens innovants d'utiliser le CO2 atmosphérique existant en le transformant en produits chimiques utiles tels que l'acide formique (HCOOH) et le méthanol. Une méthode populaire pour effectuer de telles conversions consiste à utiliser la lumière visible pour piloter la photoréduction du CO2 via des photocatalyseurs.

Lors d'une percée récente publié dans Angewandte Chemie, édition internationale le 8 mai 2023, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Kazuhiko Maeda de l'Institut de technologie de Tokyo a développé un cadre métal-organique (MOF) à base d'étain qui peut permettre une photoréduction sélective du CO2. Ils ont rapporté un nouveau MOF à base d'étain (Sn) appelé KGF-10, avec la formule [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc : acide trithiocyanurique et MeOH : méthanol). Il a réussi à réduire le CO2 en HCOOH en présence de lumière visible. "La plupart des photocatalyseurs de réduction de CO2 à haute performance pilotés par la lumière visible reposent sur des métaux rares et précieux comme composants principaux. De plus, l'intégration des fonctions d'absorption de la lumière et de catalyse dans une seule unité moléculaire composée de métaux abondants est restée un défi de longue date. Par conséquent, Sn était le candidat idéal car il peut surmonter les deux défis », explique Maeda.

Les MOF, qui apportent le meilleur des métaux et des matériaux organiques, sont explorés en tant qu'alternative plus durable aux photocatalyseurs conventionnels à base de terres rares. Le Sn, connu pour sa capacité à agir à la fois comme catalyseur et comme absorbeur lors d'une réaction photocatalytique, pourrait être un candidat prometteur pour les photocatalyseurs à base de MOF. Alors que les MOF composés de zirconium, de fer et de plomb ont été largement explorés, on ne sait pas grand-chose sur les MOF à base de Sn.

Pour synthétiser le MOF KGF-10 à base de Sn, les chercheurs ont utilisé H3ttc, MeOH et le chlorure d'étain comme matières premières et ont choisi le 1,3-diméthyl-2-phényl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazole comme donneur d'électrons et comme source d'hydrogène. Le KGF-10 préparé a ensuite été soumis à plusieurs techniques d'analyse. Ils ont révélé que le matériau présentait une capacité d'adsorption modérée du CO2, avait une bande interdite de 2,5 eV et absorbait les longueurs d'onde de la lumière visible.

Une fois conscients des propriétés physiques et chimiques du nouveau matériau, les scientifiques l'ont utilisé pour catalyser la réduction du CO2 en présence de lumière visible. Ils ont découvert que le KGF-10 réduisait avec succès le CO2 en formiate (HCOO-) avec une sélectivité de 99 % sans nécessiter de photosensibilisateur ou de catalyseur supplémentaire. Il a également présenté un rendement quantique apparent record - le rapport du nombre d'électrons impliqués dans la réaction au nombre total de photons incidents - de 9,8% à 400 nm. De plus, l'analyse structurale effectuée au cours des réactions a révélé que le KGF-10 subissait des changements structurels tout en facilitant la réduction photocatalytique.

Cette étude a présenté pour la première fois un photocatalyseur haute performance à base d'étain, sans métaux précieux et à un seul composant pour la réduction du CO2 en formiate par la lumière visible. Les excellentes propriétés du KGF-10 démontrées par l'équipe ouvriraient de nouvelles voies pour son application en tant que photocatalyseur dans des réactions telles que la réduction du CO2 par l'énergie solaire. "Les résultats de notre étude témoignent du fait que les MOF peuvent être une plate-forme pour créer des fonctions photocatalytiques exceptionnelles, généralement inaccessibles avec des complexes métalliques moléculaires, en utilisant des métaux non toxiques, peu coûteux et abondants sur Terre", conclut Maeda.

- Ce communiqué de presse a été fourni par le Tokyo Institute of Technology