Conception et spectroscopie in situ d'interfaces catalytiques hybrides

1. Résumé du projet

Un des importants défis pour la transition des sociétés vers les énergies renouvelables est le développement de technologies de conversion et de stockage de l’électricité produite à partir de sources renouvelables. Une méthode prometteuse consiste à convertir électrochimiquement du CO2, un gaz à effet de serre résiduel, en carburants à base de carbone et en produits chimiques à valeur ajoutée, fonctionnant ainsi dans un cycle du carbone fermé. Un obstacle important à la mise en œuvre de cette méthode réside dans le fait que les catalyseurs facilitant les réactions de conversion du CO2 ne sont pas parfaitement compris, ni suffisamment efficaces ni suffisamment sélectifs pour un fonctionnement pratique.

Les enzymes atteignent des performances exceptionnelles pour les mêmes réactions car elles fonctionnent grâce à l’utilisation de poches catalytiques tridimensionnelles. Un tel environnement réactionnel contrôlé stabilise les intermédiaires de haute énergie et oriente avec précision les réactions dans une voie spécifique souhaitée. L’objectif de ce projet est de traduire les fonctionnalités clés de la catalyse enzymatique en systèmes synthétiques dans le développement de catalyseurs bioinspirés.

Cette idée sera concrétisée par la mise en place de structures organométalliques (MOF) autour de nanoparticules d’or catalytiques. Dans ce système, les nanoparticules d’or se lient au CO2 et jouent le rôle de site catalytiquement actif, tandis que le MOF remplit une fonction similaire à la poche enzymatique, en utilisant des effets de sphère de coordination secondaire pour moduler le paysage de l’énergie libre de la réaction et, par conséquent, la performance du catalyseur. En particulier, un MOF capable de lier par l’hydrogène et de stabiliser des intermédiaires tels que COO─ et CO est choisi pour prolonger les temps de rétention intermédiaires à la surface de l’or et faciliter la conversion du CO2 en produits hautement réduits et plus précieux.

Pour compléter la synthèse du catalyseur et la caractérisation des performances, une spectroscopie Raman améliorée de surface in situ (SERS) sera réalisée sur le système. De telles mesures permettront de sonder le catalyseur pendant son fonctionnement et fourniront des informations sur l’identité des espèces liées à la surface et sur les étapes limitant le débit du cycle catalytique. Cela permettra de mieux comprendre au niveau moléculaire les effets exacts que la couche de MOF aura sur les nanoparticules d’or sous-jacentes et, par conséquent, de créer des relations structure-activité pour la réduction de CO2 modulée par sphère de coordination secondaire.

Au total, ce projet combine de manière unique la synthèse d’un système catalytique hybride nanoparticule-MOF avec des mesures spectroscopiques de pointe pour développer une nouvelle classe de catalyseurs pour les matériaux catalytiques à réduction de CO2. Les connaissances scientifiques permettront à la communauté de mieux comprendre la catalyse de surface et le rôle de l’environnement immédiat sur les performances catalytiques. Parallèlement, l’exécution de ce projet devrait favoriser la mise en œuvre de technologies de l’électricité, alimenter les industries hydroélectrique, éolienne et solaire au Québec et accélérer la transition vers une société alimentée par les énergies renouvelables.