Recherche thématique : ÉNERGIE & ENVIRONNEMENT

Mots-clés

Capture CO₂ ; carburants solaires ; énergie solaire ; photodégradation ; photo(électro)catalyse ; photoprotection ; photostabilité ; systèmes bioinspirés ; systèmes photosynthétiques et hybrides

Les systèmes photosynthétiques naturels convertissent très efficacement l’énergie lumineuse en énergie chimique grâce à un niveau élevé de contrôle des quatre processus clés impliqués dans la photochimie :

• la récolte initiale des photons,
• la séparation des charges induite par la lumière,
• la capture efficace des substrats abondants pertinents, y compris le CO2 atmosphérique
• l’utilisation des charges photogénérées pour conduire la transformation multi-électronique de ces substrats, parfois dans une cascade d’étapes catalytiques.

Certains mécanismes sont également mis en œuvre pour protéger les systèmes contre les photodommages par le biais de composants sacrificiels et de processus d’autoréparation.

L’idée maîtresse de cet axe est de reproduire l’organisation et les performances naturelles complexes en mettant en synergie les sciences (bio)moléculaires et les sciences des matériaux dans des systèmes hybrides combinant le meilleur des deux mondes. LUMA cherchera à reproduire une telle organisation contrôlée dans des systèmes photosynthétiques artificiels qui combineront des molécules biologiques et/ou synthétiques avec des matériaux inorganiques, agissant comme adsorbants, absorbeurs de lumière, relais redox/conducteurs électroniques ou catalyseurs, en relation étroite avec les pigments hybrides utilisés dans l’art et les revêtements photochromiques hybrides pour la protection des matériaux anciens. La structuration de ces systèmes hybrides sera contrôlée grâce à une série d’outils supramoléculaires et nanochimiques de pointe, y compris la fabrication d’origamis moléculaires (constructions d’ADN, maquettes polypeptidiques de-novo et agrégats protéiques réticulés, fonctionnalisation de surfaces multifonctionnelles).

Pour atteindre les objectifs susmentionnés, les performances des systèmes seront optimisées pour les fonctions clés susmentionnées via la préparation de systèmes photocatalytiques hybrides ou de photoélectrodes. Ces systèmes seront développés de manière rationnelle grâce à une modélisation multi-physique et multi-échelle. Une compréhension approfondie des processus de dégradation permettra de concevoir des solutions de protection ou de remédiation qui seront appliquées dans les systèmes avant leur mise en œuvre dans des dispositifs photo(électro)chimiques complets grâce à un prototypage et à des tests rapides dans des conditions réalistes.

Photoélectrodes hybrides pour une meilleure collection de la lumière

Un premier objectif est de préparer des photoélectrodes hybrides avec des performances améliorées grâce à l’utilisation d’effets d’antenne utilisant à la fois des chromophores moléculaires, des nanoparticules plasmoniques et des semi-conducteurs combinés à l’aide d’outils supramoléculaires et nanochimiques modernes ; ces outils permettront également d’optimiser l’injection de charge vers des catalyseurs multi-électrons/multi-protons pour divers processus : la dissociation de l’eau, la photo(électro)réduction du CO2, d’autres processus oxydatifs et réducteurs clés dans la production de produits chimiques, la photodégradation de polluants inorganiques tels que les émissions d’oxydes d’azote.

Systèmes hybrides avec fonction intégrée de capture CO2

Ce deuxième objectif consiste à concevoir des composites hybrides qui peuvent à la fois capturer et convertir le CO2 via l’intégration de systèmes de séquestration du CO2 (par exemple, structures métallo-organiques, amines…) dans des systèmes photo(électro)catalytiques. L’efficacité de ces systèmes composites sera optimisée par le contrôle de la séparation des charges aux jonctions électroniques entre les différents composants (lumière récoltée, catalyseurs, substrat).

Compréhension des processus de dégradation et mise en œuvre de stratégies de photoprotection

La combinaison de composants (bio)moléculaires et inorganiques à l’état solide s’est avérée prometteuse (par exemple, dans les cellules solaires à colorant) pour stabiliser les premiers grâce à une cinétique favorable et à des effets de confinement. Les mécanismes de dégradation induits par la lumière en jeu seront étudiés dans les systèmes susmentionnés, ainsi que dans les pigments hybrides et les revêtements photochromiques utilisés dans l’art ou dans les organismes photosynthétiques naturels, et des stratégies visant à améliorer la photostabilité des systèmes hybrides seront élaborées.

Dispositifs pour la production de carburant solaire

Les systèmes photo(électro)catalytiques décrits ci-dessus seront intégrés dans des dispositifs photoélectrochimiques complets grâce à un prototypage rapide. Leurs performances et leur stabilité seront évaluées dans des conditions simulées réalistes, ainsi qu’en extérieur.