PROJET-PEPR : MOF composites for the overall CO₂ reduction through panchromatic photocatalysis (H/F)

Missions :
Développer de nouveaux photocatalyseurs pour la réduction du CO2 en milieu aqueux, en combinant des matériaux poreux "hôtes" de type MOFs (metal-organic frameworks), et des espèces hôtes fonctionnelles (chromophores, catalyseurs moléculaires, nanoparticules métalliques, polyoxometalates). Nous proposons ici de développer de nouveaux systèmes composites intégrant des POM soigneusement sélectionnés, des Zr-MOFs et des NP métalliques ou des espèces immobilisées. Ces matériaux composites seront conçus pour présenter une grande stabilité et absorber une large portion du spectre solaire, permettant une CO2RR efficace en utilisant l'eau comme donneur d'électrons sacrificiel.

Le CO₂ est souvent considéré comme une matière première en C1 gratuite, ce qui rend sa conversion en carburants synthétiques à haute valeur ajoutée particulièrement attrayante. Divers procédés ont été explorés pour son utilisation, y compris la réaction de réduction du CO₂ (CO₂RR). Les réseaux métalliques-organiques (MOFs), en particulier ceux basés sur des clusters de zirconium et des ligands photoactifs, se sont révélés être des catalyseurs prometteurs pour la CO2RR sous irradiation lumineuse visible, grâce à leur stabilité et à leur structure poreuse modulable. Récemment, nous avons montré que l’intégration de polyoxométalates (POMs) - des oxydes moléculaires solubles basés sur des centres métalliques à valence élevée - dans les cavités de tels MOFs permet d’améliorer significativement leurs activités photocatalytiques, en augmentant la durée de vie des excitons photogénérés. Cependant, des limitations clés persistent, telles qu’une absorption limitée à une portion du spectre solaire et la nécessité de donneurs d'électrons sacrifiels (par exemple la triéthanolamine), et ce, le plus souvent dans un solvant organique. Notamment, la combinaison de Zr-MOFs avec des nanoparticules métalliques (NPs) optiquement actives a conduit à des composites montrant une activité intéressante pour la réduction du CO2 (CO2RR), même dans l'eau. Cependant, l'intégration synergique des POMs, des NPs et des MOFs pour la CO2RR photocatalytique en solution aqueuse reste à développer pleinement, ainsi que l'extension de la capture de lumière à une plus grande portion du spectre visible.
Activités :
La première phase du projet se concentrera sur la synthèse des composites NP@POM@MOF. Les précurseurs moléculaires et les matériaux résultants seront synthétisées et caractérisés à l'aide des spectroscopies IR et UV-vis, XPS, BET, RMN solide, diffraction des rayons X, analyse EDX, isothermes d'adsorption d'azote et analyses ICP accessibles au laboratoire. Des expériences photocatalytiques en conditions hétérogènes seront ensuite réalisées au laboratoire afin de viser une photocatalyse nouvelle et efficace pour la CO2RR. Des études mécanistiques approfondies pourront également être menées grâce à des collaborations bien établies avec le synchrotron
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