Catalyse moléculaire de la réduction photochimique du CO2 à l’aide de complexes de cobalt en conditions homogène et supportée

Molecular catalysis of CO2 light-driven reduction with Co complexes in homogeneous and supported conditions

• Auteur / Autrice : Bing Ma
• Direction : Julien Bonin, Marc Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Électrochimie Moléculaire (Paris) (1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Bonin, Marc Robert, Caroline Mellot-Draznieks, Marie-Noëlle Collomb, Junwang Tang, Alexander Cowan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Mellot-Draznieks, Marie-Noëlle Collomb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs au cobalt

Métaux de transition -- Complexes

Catalyseurs métalliques

Photocatalyse

Réduction (chimie)

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Réduction du CO2

Catalyse photochimique

Catalyse supportée

Systèmes hybrides

Catalyseur moléculaire bimétallique

Complexes de cobalt

CO2 reduction reaction

Photochemical catalysis

Supported catalysis

Hybrid systems

Bimetallic molecular catalysts

Cobalt complexes

Résumé

La production photocatalytique de carburants solaires est un moyen efficace de stockage chimique de l'énergie solaire et offre une option potentiellement fructueuse pour parvenir à un système énergétique à zéro émission de carbone. La pierre angulaire d'un processus pratique de production de carburant solaire est de concevoir et d'optimiser des photocatalyseurs stables, efficaces et déployables à grande échelle, et comprenant un matériau semi-conducteur permettant l'absorption de photons, la génération efficace de porteurs de charge, leur transport jusqu’à la réalisation de réactions catalytiques.La catalyse moléculaire joue un rôle essentiel dans la photosynthèse naturelle et artificielle. Dans ce travail de doctorat, j’ai étudié (i) un complexe bimétallique pour la réduction sélective du CO2, illustrant le fait que la catalyse moléculaire est l'un des moyens prometteurs pour mettre en œuvre la coopérativité des métaux avec des activités intrinsèques exceptionnelles ; (ii) des matériaux inorganiques (nitrure de carbone semi-conducteur et acide graphitique) pouvant être fonctionnalisés par une molécule (complexe quaterpyridine de cobalt) par le biais d’une liaison amide covalente. Une hétérogénéisation efficace des deux composants a été réalisée. Ces systèmes hybrides ont montré des performances catalytiques élevées vis-à-vis de la photoréduction au CO2. Ils illustrent que le développement de catalyseurs moléculaires vaut la peine d'être exploré afin de parvenir à des systèmes catalytiques évolutifs qui sont nécessaires pour la production pratique de carburant solaire à grande échelle. Dans le mécanisme de fonctionnement des catalyseurs moléculaires supportés par des matériaux, des défis subsistent en ce qui concerne à la fois la stabilité de l’unité moléculaire, les techniques d'hétérogénéisation et le contrôle de l'interaction électronique entre les composants.

Photocatalytic solar fuel production is an effective means of chemical storage for solar energy and it provides a potential fruitful option for achieving a zero-emissions energy system. The cornerstone of a practical solar fuel production process is to design and optimize stable, efficient, and scalable photocatalysts, including a semiconductor material that accommodates photon absorption, efficient charge carriers generation, transport, and then catalytic reactions. Molecular catalysis plays an essential role in both natural and artificial photosynthesis. In this doctoral work, I have (i) investigated a bimetallic complex for selective CO2 reduction, illustrating that molecular catalysis is one of the promising way to activate metal cooperativity with outstanding intrinsic activities; (ii) synthesized inorganic material (semiconductive carbon nitride and graphitic acid) able to be functionalized with a molecular molecule (cobalt quaterpyridine) through a covalent amide bond. Effective heterogenization of the two components was thoroughly accessed. These hybrid systems showed high catalytic performance towards CO2 photoreduction. They illustrate that the development of molecular catalysts is worth to be explored for the invention of scalable catalytic systems that are needed for large scale, practical solar fuel production. In the mechanism of material-supported molecule catalysts, challenges still remain regarding both to molecular stability, heterogenization techniques, and control of the electronic interaction between these components.