La directionnalité dans la seconde sphère de coordination : un levier pour des performances catalytiques exceptionnelles
Et si la clé pour mieux transformer le CO₂ ne résidait pas seulement dans le catalyseur lui-même, mais dans la façon dont les molécules s’organisent autour de son site actif ? En s’inspirant de la précision des enzymes, des chercheurs du Moonshot Project SYNFLUX-LUMICALS ont atteint des performances exceptionnelles et révèlent une nouvelle stratégie pour concevoir les catalyseurs de demain.
La transformation du dioxyde de carbone (CO₂), principal gaz à effet de serre, en molécules d’intérêt représente un défi majeur pour la transition énergétique. Parmi les approches les plus prometteuses, la réduction électrocatalytique du CO₂ en monoxyde de carbone (CO) permet de produire un intermédiaire clé pour la fabrication de carburants et de composés chimiques.
Dans une étude récente publiée dans Angewandte Chemie, des chercheurs du Moonshot Project SYNFLUX-LUMICALS montrent qu’il est possible d’améliorer considérablement cette réaction en s’inspirant des enzymes. Leur stratégie consiste à optimiser la seconde sphère de coordination, c’est-à-dire l’environnement immédiat du site catalytique, qui joue un rôle essentiel dans la capture et l’activation du CO₂.
Les équipes de l’ICMMO et du CEA-Joliot ont conçu deux variantes d’une porphyrine de fer fonctionnalisée par des groupes urée, qui ne diffèrent que par leur organisation spatiale : configuration face-à-face (αbαb-UrFe) et configuration adjacente (α2b2-UrFe). Cette différence de géométrie modifie profondément les interactions avec le CO₂. La configuration adjacente favorise son activation et sa conversion en CO, aussi bien en milieu aprotique qu’en milieu protique. Les performances obtenues sont particulièrement remarquables en milieu protique, où ce catalyseur atteint une fréquence de rotation (TOF) record de 2,72 × 10⁷ s⁻¹, l’une des plus élevées jamais rapportées pour un système homogène.
Grâce à une combinaison de mesures électrochimiques, de spectroscopies UV-Visible et infrarouge, ainsi que de calculs théoriques, les chercheurs ont montré que cette organisation ne se contente pas de stabiliser les intermédiaires réactionnels. Elle rend également le site actif plus accessible ce qui facilite les transferts de protons et accélère ainsi la réaction.
Cette étude montre que les performances d’un catalyseur ne dépendent pas uniquement de la stabilisation des intermédiaires réactionnels, mais aussi de leur accessibilité et de la dynamique des interactions qui les gouvernent, deux facteurs essentiels pour atteindre une activité catalytique exceptionnelle. Cette approche bio-inspirée ouvre de nouvelles perspectives pour concevoir des catalyseurs plus efficaces, plus sélectifs et plus durables pour la valorisation du CO₂.
Contact
Zakaria Halime, Directeur de Recherche, ICMMO, CNRS
Philipp Gotico, Chercheur, I2BC, CEA
Référence
A. Vishwakarma, S. Essid, S. Bouery, R. Guillot, B. Boitrel, P. Gotico, M. Sircoglou, Z. Halime. “Directional Second Sphere Effect on CO2 Activation and Reduction by Iron Porphyrin in Aprotic and Protic Media”, Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e1490828., DOI: 10.1002/anie.1490828 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.1490828
Ce travail s’inscrit dans le Moonshot Project SYNFLUX-LUMICALS du PEPR LUMA et a bénéficié d’une aide de l’État gérée par l’Agence Nationale de la Recherche au titre de France 2030 portant la référence ANR-23-EXLU-0001.
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