Newswise – La demande croissante de carburants fossiles pour alimenter l'économie continue d'accroître la quantité de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère. Malgré les efforts déployés pour réduire les émissions de CO2, les effets néfastes de ce gaz déjà présent dans l'atmosphère demeurent. C'est pourquoi les chercheurs ont mis au point des méthodes innovantes pour valoriser le CO2 atmosphérique en le convertissant en substances précieuses telles que l'acide formique (HCOOH) et le méthanol. La photoréduction du CO2 à l'aide de photocatalyseurs utilisant la lumière visible comme catalyseur est une méthode courante pour ces conversions.
Dans une avancée majeure révélée dans l'édition internationale du 8 mai 2023 d'Angewandte Chemie, le professeur Kazuhiko Maeda et son équipe de recherche de l'Institut de technologie de Tokyo ont réalisé des progrès significatifs. Ils ont développé avec succès un réseau métallo-organique (MOF) à base d'étain (Sn) qui favorise la photoréduction sélective du CO₂. Ce MOF, récemment mis au point, a été nommé KGF-10 et sa formule chimique est [SnII₂(H₃ttc)₂.MeOH]ₙ (H₃ttc : acide trithiocyanurique, MeOH : méthanol). Sous l'effet de la lumière visible, KGF-10 convertit efficacement le CO₂ en acide formique (HCOOH). Le professeur Maeda explique : « À ce jour, de nombreux photocatalyseurs très efficaces pour la réduction du CO₂, à base de métaux rares et nobles, ont été développés. Cependant, l'intégration des fonctions d'absorption de la lumière et de catalyse au sein d'une seule unité moléculaire composée d'un grand nombre de métaux demeure un défi. L'étain s'est donc révélé être un candidat idéal pour surmonter ces deux obstacles. »
Les MOF, qui combinent les avantages des métaux et des matériaux organiques, sont étudiés comme une alternative plus écologique aux photocatalyseurs traditionnels à base de terres rares. L'étain (Sn), connu pour son double rôle de catalyseur et d'absorbeur de lumière dans les processus photocatalytiques, pourrait constituer une option intéressante pour les photocatalyseurs à base de MOF. Bien que les MOF composés de zirconium, de fer et de plomb aient fait l'objet de nombreuses études, la compréhension des MOF à base d'étain reste limitée. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer pleinement les possibilités et les applications potentielles des MOF à base d'étain dans le domaine de la photocatalyse.
Pour synthétiser le MOF à base d'étain KGF-10, les chercheurs ont utilisé l'acide trithiocyanurique (H3ttc), le méthanol (MeOH) et le chlorure d'étain comme réactifs de départ. Ils ont choisi le 1,3-diméthyl-2-phényl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazole comme donneur d'électrons et source d'hydrogène. Après synthèse, le KGF-10 obtenu a été soumis à différentes analyses. Ces analyses ont montré que le matériau présente une capacité d'adsorption de CO₂ modérée, une bande interdite de 2,5 eV et une absorption efficace dans le domaine du visible.
Grâce à leur connaissance des propriétés physico-chimiques du nouveau matériau, les scientifiques l'ont utilisé pour catalyser la réduction du dioxyde de carbone par la lumière visible. Ils ont notamment constaté que le KGF-10 permet la conversion du CO₂ en formiate (HCOO⁻) avec une sélectivité atteignant 99 %, sans aucun photosensibilisateur ni catalyseur auxiliaire. De plus, le KGF-10 a démontré un rendement quantique apparent exceptionnellement élevé – une mesure de l'efficacité d'utilisation des photons – atteignant 9,8 % à 400 nm. Enfin, l'analyse structurale réalisée pendant la réaction photocatalytique a révélé que le KGF-10 subit une modification structurale favorisant le processus de réduction.
Cette recherche novatrice présente KGF-10, un photocatalyseur à base d'étain haute performance, ne nécessitant aucun métal noble, qui catalyse la réduction du CO₂ en formiate par la lumière visible. Les propriétés remarquables de KGF-10, mises en évidence dans cette étude, pourraient révolutionner son utilisation comme photocatalyseur dans diverses applications, notamment la réduction solaire du CO₂. Le professeur Maeda conclut : « Nos résultats indiquent que les MOF peuvent servir de plateforme pour développer des capacités photocatalytiques supérieures grâce à l'utilisation de métaux non toxiques, économiques et abondants sur Terre, souvent sous forme de complexes métalliques moléculaires. » Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de la photocatalyse et ouvre la voie à une utilisation durable et efficace des ressources terrestres.
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