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La demande soutenue de l'économie en combustibles à forte teneur en carbone a entraîné une augmentation du dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère. Même si des efforts sont déployés pour réduire les émissions de dioxyde de carbone, ils ne suffisent pas à enrayer les effets néfastes de ce gaz déjà présent dans l'atmosphère.
Les scientifiques ont donc mis au point des méthodes ingénieuses pour utiliser le dioxyde de carbone déjà présent dans l'atmosphère en le convertissant en molécules utiles telles que l'acide formique (HCOOH) et le méthanol. La photoréduction photocatalytique du dioxyde de carbone à l'aide de lumière visible est une méthode courante pour ces transformations.
Une équipe de scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo, dirigée par le professeur Kazuhiko Maeda, a réalisé des progrès majeurs et les a documentés dans la publication internationale « Angewandte Chemie » datée du 8 mai 2023.
Ils ont créé un réseau métallo-organique (MOF) à base d'étain permettant la photoréduction sélective du dioxyde de carbone. Les chercheurs ont mis au point un nouveau MOF à base d'étain (Sn) de formule chimique [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc : acide trithiocyanurique et MeOH : méthanol).
La plupart des photocatalyseurs de CO₂ à haut rendement fonctionnant sous lumière visible utilisent des métaux précieux rares comme composants principaux. De plus, 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 de longue date. L'étain (Sn) apparaît donc comme un candidat idéal, car il permet de résoudre ces deux problèmes.
Les MOF sont les meilleurs matériaux pour les métaux et les matériaux organiques, et ils sont étudiés comme une alternative plus écologique aux photocatalyseurs traditionnels à base de terres rares.
L'étain (Sn) est un choix prometteur pour les photocatalyseurs à base de MOF car il peut agir à la fois comme catalyseur et comme agent de piégeage lors du processus photocatalytique. Bien que les MOF à base de plomb, de fer et de zirconium aient fait l'objet de nombreuses études, les MOF à base d'étain restent peu connus.
Le H3ttc, le MeOH et le chlorure d'étain ont été utilisés comme ingrédients de départ pour préparer le MOF à base d'étain KGF-10, et les chercheurs ont décidé d'utiliser le 1,3-diméthyl-2-phényl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazole comme donneur d'électrons et source d'hydrogène.
Le KGF-10 ainsi obtenu est ensuite soumis à diverses analyses. Il s'avère que ce matériau possède une bande interdite de 2,5 eV, absorbe les longueurs d'onde de la lumière visible et présente une capacité d'adsorption modérée du dioxyde de carbone.
Une fois les propriétés physico-chimiques de ce nouveau matériau élucidées, les scientifiques l'ont utilisé pour catalyser la réduction du dioxyde de carbone en présence de lumière visible. Ils ont constaté que le KGF-10 peut convertir efficacement et sélectivement le CO₂ en formiate (HCOO⁻) avec un rendement pouvant atteindre 99 %, sans nécessiter de photosensibilisateurs ou de catalyseurs supplémentaires.
Elle présente également un rendement quantique apparent record de 9,8 % à une longueur d'onde de 400 nm (rapport entre le nombre d'électrons impliqués dans la réaction et le nombre total de photons incidents). De plus, l'analyse structurale réalisée tout au long de la réaction a montré que le KGF-10 subissait des modifications structurales favorisant la réduction photocatalytique.
Cette étude présente pour la première fois un photocatalyseur à base d'étain, monocomposant et sans métaux précieux, hautement efficace pour accélérer la conversion du dioxyde de carbone en formiate. Les propriétés remarquables du KGF-10, découvertes par l'équipe, ouvrent de nouvelles perspectives pour son utilisation comme photocatalyseur dans des procédés tels que la réduction des émissions de CO₂ grâce à l'énergie solaire.
Le professeur Maeda a conclu : « Nos résultats indiquent que les MOF peuvent servir de plateforme pour utiliser des métaux non toxiques, peu coûteux et abondants sur Terre afin de créer des fonctions photocatalytiques supérieures qui sont généralement inaccessibles avec les complexes métalliques moléculaires. »
Kamakura Y et al. (2023) Les réseaux métallo-organiques à base d'étain(II) permettent une réduction efficace et sélective du dioxyde de carbone sous lumière visible. Applied Chemistry, International Edition. doi:10.1002/ani.202305923
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