Systèmes moléculaires photocatalytiques pour la réduction des protons en hydrogène en milieux aqueux, associant des catalyseurs de rhodium et de cobalt à des photosensibilisateurs de ruthénium

par Thibaut Stoll

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Marie-Noëlle Collomb.

Soutenue le 26-11-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Département de Chimie Moléculaire (équipe de recherche) .

Le président du jury était Fabrice Odobel.

Le jury était composé de Jerôme Fortage, Alain Deronzier.

Les rapporteurs étaient J. a. gareth Williams, Frederic Gloaguen.


  • Résumé

    Ce mémoire de thèse est consacré à la mise au point, l'optimisation et l'étude de différentssystèmes moléculaires photocatalytiques de réduction des protons aussi bien en solvant organique,qu'en solvant purement aqueux. Des complexes polypyridiniques de rhodium et de cobalt ont, tout d'abord, été étudiés par électrochimie en solvant, organique en présence d'une source de protons afin d'évaluer leurs potentiels catalytiques. Ils ont ensuite été associés au complexe ruthenium(II)-trisbipyrine, utilisé comme photosensibilisateur, et à un donneur d'électron sacrificiel, la triéthanolamine ou l'ascorbate de sodium pour constituer un système photocatalytique de réduction des protons en dihydrogène (H2). La production de H2 a été évaluée par chromatographie en phase gazeuse et le mécanisme de libération de l'hydrogène a été étudié par spectroscopie d'absorption transitoire. Nous avons pu mettre en évidence que le système [Ru(bpy)3]2+/[Rh(dmbpy)2Cl2]+/NaHA/H2A est parmi les plus actifs jamais décrits pour la réduction des protons dans l'eau pure avec plus de 1000 cycles catalytiques pour le catalyseur. Par la suite, le catalyseur [Rh(dmbpy)2Cl2]+ et le photosensibilisateur ont été reliées par liaison covalente et l'effet de cette association sur l'activité photocatalytique du système a été étudié. Nous avons pu démontrer que le lien covalent non conjugué permet non seulement de conserver les propriétés rédox des deux sous-unités mais également d'augmenter la stabilité et donc l'efficacité du système de manière significative. La dernière partie de ce manuscrit est consacrée à la synthèse, la caractérisation et à l'utilisation en photocatalyse d'un catalyseur macrocyclique de cobalt en association avec [Ru(bpy)3]2+. Ce catalyseur s'est avéré très prometteur puisque les performances mesurées sont supérieures, à condition catalytique équivalente, à celles du complexe [Rh(dmbpy)2Cl2]+.

  • Titre traduit

    Design of photoactivable moleculars systems for solar energy conversion


  • Résumé

    This thesis is focussed on the development, optimisation and study of different molecular photocatalytic systems for the reduction of protons, in both organic solvents and pure water. Several polypyridine complexes of rhodium and cobalt have been studied by electrochemistry in organic solvents, in the presence of a source of protons, in order to evaluate their catalytic performance for the reduction of protons. They have been studied in the presence of [Ru(bpy)3]2+, which is used as a photosensitiser, and a sacrificial electron donor, either triethanolamine or sodiumascorbate, to construct a photocatalytic system for the reduction of protons to dihydrogen. The production of H2 has been quantified by gas chromatography, and the mechanism of formation of hydrogen has been studied by transient absorption spectroscopy. We have shown that the system [Ru(bpy)3]2+/[Rh(dmbpy)2Cl2]+/NaHA/H2A is amongst the most efficient yet described for the reduction of protons to hydrogen in pure water, with more than 1000 catalytic cycles per molecule of catalyst observed. Furthermore, the [Rh(dmbpy)2Cl2]+ catalyst and the [Ru(bpy)3]2+ photosensitiser have been joined by an alkyl bridge and the effect of this on the photocatalytic activity of the system has beenstudied. We have demonstrated that the non-conjugated covalent link allows not only maintenance ofthe redox properties of both sub-units, but also significantly increases the stability and the efficiency of the system.The final part of this thesis is devoted to the synthesis, characterisation and use of a macrocyclic cobalt complex as a catalyst for photocatalysis of the reduction of protons, in the presence of both [Ru(bpy)3]2+ and sodium ascorbate. This catalyst shows promising activity; its performance is better than that of [Rh(dmbpy)2Cl2]+ under the same catalytic conditions.


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