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Résultat scientifique | Catalyse bioinspirée

Valorisation du CO2 : optimisation d’un catalyseur bio-inspiré


​Une équipe de l'I2BC (SB2SM), en collaboration avec l'ICMMO, a optimisé un catalyseur bio-inspiré de la réduction du CO2, conçu et développé au laboratoire, et a montré que son efficacité repose sur un équilibre subtil entre fixation du CO2 sur le site catalytique et arrivée des protons, un ingrédient essentiel pour la rupture de la liaison C=O. 

Publié le 10 novembre 2020

Recycler le dioxyde de carbone permettrait de réduire son accumulation atmosphérique, l'une des principales causes du réchauffement climatique. Pour transformer le CO2 en carburant ou en briques de synthèse pour des composés organiques d'intérêt, il faut d'abord casser les liaisons O=C=O, un processus très énergivore. Pour cela, les chercheurs peuvent s'inspirer de la nature qui compte des métallo-enzymes particulièrement efficaces, comme par exemple, la déshydrogénase de monoxyde de carbone, qui réduit réversiblement le CO2 en CO.

En 2019 (voir le fait marquant), l'équipe de l'I2BC a mis au point un nouveau catalyseur de type porphyrine de fer*, particulièrement prometteur pour la réduction du dioxyde de carbone, en s'inspirant directement du site actif de la déshydrogénase de monoxyde de carbone. Plus précidément, les chercheurs avaient modifié la porphyrine de fer en y introduisant, sur sa deuxième sphère de coordination, des fonctions urée, sortes de piliers moléculaires pourvoyeurs de liaisons hydrogène pour immobiliser le CO2 sur le centre métallique, un peu comme dans l'enzyme naturelle.

Dans une optique d'optimisation des performances énergétiques et cinétiques de ce catalyseur, les chercheurs ont, dans cette étude, étudié l'impact de la topologie des groupes urée sur la réduction électro-catalytique du CO2. Pour cela, deux isomères du catalyseur comportant deux groupes urée ont été synthétisés et leurs propriétés catalytiques caractérisées : dans le premier isomère, les deux groupes urée se font face du même côté du cycle porphyrine (alpha alpha), tandis que dans le second, les deux groupes urée sont en trans, de chaque côté du cycle porphyrine (alpha beta).

Les résultats obtenus montrent que la modification de la deuxième sphère de coordination du catalyseur impacte ses propriétés fonctionnelles (figure). En effet, si l'isomère alpha alpha présente une meilleure affinité pour le CO2 que l'isomère alpha beta, ce dernier possède une meilleure activité catalytique avec la constante de vitesse la plus élevée rapportée dans la littérature pour la réduction électro-catalytique du CO2 en CO. Les auteurs attribuent cette observation à une étape de protonation plus efficace du CO2 lors de sa réduction. En effet, quand la molécule de CO2 est piégée entre les deux groupes urée pour le cas de l'isomère alpha alpha, cette étape est très ralentie alors que dans le cas de l'isomère alpha beta, la molécule de CO2 est tenue seulement par un bras à liaison hydrogène, libérant ainsi la voie d'accès des protons pour la conversion du CO2 en CO.

En modifiant la topologie 3D d'un catalyseur bio-inspiré pour la réduction du CO2, les propriétés catalytiques ont été modulées pour aller vers une capture plus efficace du CO(αlpha αlpha) ou vers une réaction de réduction du CO2 plus rapide (alpha β).
© P.Gotico / UPSAY / CEA / CNRS


En conclusion, cette étude nous apprend qu'une meilleure catalyse de la réduction du CO2 passe par un contrôle subtil de sa fixation sur le site catalytique et de l'arrivée des protons, un ingrédient essentiel pour la rupture de la liaison C=O. 

Contact chercheur : winfried.leibl@cea.fr

* Une porphyrine de fer est une molécule à structure macrocyclique, comme l'hème de l'hémoglobine qui sert à fixer le dioxygène dans les globules rouges.

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