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Résultat scientifique | Photosynthèse

Photosynthèse artificielle : le deuxième électron enfin accessible


​Une équipe de l'I2BC@Saclay (SB2SM), en collaboration avec des équipes de l'ISMO* et de l'ICMMO** (CNRS/Univ.Paris-Sud, Univ.Paris-Saclay) a mesuré des cinétiques d'accumulation de charges électriques au sein d'un système moléculaire conçu pour l'étude de la photosynthèse artificielle. Ces travaux, publiés dans Angewandte Chemie, mettent pour la première fois en évidence le deuxième électron de ce processus fondamental pour la conversion de l'énergie lumineuse en carburant.

Publié le 21 février 2018

​La photosynthèse est un processus particulièrement efficace chez les plantes, qui leur permet de synthétiser de la matière organique en utilisant l'énergie solaire. Utiliser l'énergie solaire renouvelable d'une manière aussi optimale est un défi scientifique et sociétal que nombre de chercheurs tentent de relever. Issu d'une rencontre entre physiciens et chimistes, un consortium de trois équipes de recherche développe, par des approches bio-mimétiques, des dispositifs artificiels pour la conversion de l'énergie lumineuse en fuel, énergie chimique facilement transportable et stockable.

Dans la nature, une feuille de plante contient des enzymes qui, suite à l'absorption de 4 photons successifs, libèrent 4 électrons utilisés ensuite dans une réaction d'oxydoréduction pour produire des sucres à partir d'eau et de dioxyde de carbone. Un des défis de la photosynthèse artificielle est de réussir à mimer la nature. Ainsi, en réalisant plusieurs cycles photo-induits de séparations de charges au sein d'un système moléculaire, chaque cycle libérant un unique électron, il est possible de récupérer les 4 électrons nécessaires. Jusqu'ici, les scientifiques ne connaissaient en détail que l'échange du premier électron.

Dans cette étude, les auteurs ont franchi une étape supplémentaire : ils ont mis en évidence une accumulation de 2 électrons par absorptions successives de 2 photons visibles au sein d'un assemblage supramoléculaire constitué d'un photosensibilisateur et d'un accepteur d'électron en présence d'un donneur réversible d'électrons en solution, pour une réaction de type bi-moléculaire. Cette détection directe et sans équivoque, sur une base spectroscopique, est une première dans une dyade moléculaire. Les chercheurs ont pu mettre en évidence une durée de vie de 0.2 ms pour l'état à double transfert de charge, valeur exceptionnellement longue dans ces systèmes moléculaires, stockant ainsi une énergie de 1.1 eV (Figure). Ces expériences avec excitations séquentielles sont résolues en temps et ont également permis de révéler les autres processus qui entrent en compétition avec l'accumulation de charges.

Figure: Énergies et constantes de vitesse de l'accumulation séquentielle de deux électrons au sein de la dyade Ru-NDI. Ce schéma simplifié décrit les processus menant à l'accumulation des charges. ©Aukauloo



Élucider de tels processus intramoléculaires et/ou intermoléculaires est un prérequis incontournable dans la mise au point de systèmes photocatalytiques efficaces qui conduiront à la maîtrise de la conversion de l'énergie solaire en fuel. Ce travail constitue une avancée substantielle de ce champ de recherches.

Ce travail a fait l'objet d'un fait marquant de l'institut de Chimie du CNRS le 06 février 2018 (En direct des Labos).


*Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay
** Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay 

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