Une équipe de chercheurs allemands a mis au point un nouveau complexe photo-actif à base de molybdène, un métal abondant et bon marché, selon une synthèse en deux étapes seulement. Ce matériau prometteur pourrait permettre de mieux valoriser l’énergie solaire dans des applications durables.
Face à l’urgence de transformer notre façon de produire et d’utiliser l’énergie, les chercheurs travaillent activement à trouver des matériaux durables et rentables pour les applications chimiques activées par la lumière.
Jusqu’à présent, ce domaine de recherche dépend fortement de complexes coûteux à base de métaux précieux ou de terres rares, dont l’abondance dans la croûte terrestre est limitée. Si des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières années avec des alternatives utilisant des éléments abondants, ces matériaux sont généralement très difficiles à fabriquer car leur synthèse multi-étapes nécessite beaucoup de ressources.
Cependant, une équipe de chercheurs* a réalisé une avancée importante en combinant le meilleur des deux mondes : un métal bon marché et abondant, le molybdène, avec une méthode de synthèse simple.
L’équipe a démontré la polyvalence de cette molécule en l’appliquant à la conversion de lumière de basse énergie en lumière de haute énergie et en tant que photo-catalyseur pour entraîner des réactions chimiques – deux stratégies qui pourraient nous permettre de mieux utiliser notre énergie à l’avenir.
Un procédé de synthèse en deux étapes
Dans leur article « Stable Molybdenum(0) Carbonyl Complex for Upconversion and Photoredox Catalysis » publié dans le Journal of the American Chemical Society, les chercheurs présentent une nouvelle approche pour la conception de complexes photo-actifs stables à base d’un atome de molybdène combiné à des ligands carbonyle.
La synthèse de cette molécule est très simple et ne nécessite que deux étapes. « De nombreux exemples cités dans la littérature de recherche ont des propriétés fantastiques mais nécessitent des mois de fabrication« , a déclaré Alexander Fischer, qui avait rejoint le laboratoire de Heinze à la JGU pour sa thèse de master et co-signé l’étude. « J’ai été étonné de voir qu’on peut synthétiser le complexe de molybdène en seulement un jour. »
En utilisant les spectromètres laser sophistiqués disponibles à la JGU, au MPIP et au RPTU, l’équipe a montré que l’absorption de la lumière peuple un état excité dans le complexe qui persiste pendant plusieurs centaines de nanosecondes. « Cela peut sembler court mais c’est suffisamment long pour que l’état excité soit utilisé dans des transformations photochimiques« , a expliqué Winald Kitzmann. « En fait, la nature de cet état est bien connue grâce aux matériaux à base de métaux précieux, nous savions donc déjà comment en tirer le meilleur parti.«
D’excellents résultats lors des essais pratiques
Les complexes carbonyle conventionnels sont réputés pour se décomposer sous irradiation lumineuse, un fait qui a plané comme une épée de Damoclès sur le projet dès le début. Cependant, le complexe de molybdène s’est avéré hautement photo-stable.
« Cette remarquable stabilité de notre nouveau composé – même avec des intensités lumineuses élevées – nous a vraiment surpris« , se souvient le professeur Katja Heinz, chef du groupe de recherche à l’origine de l’étude. « Contrairement à de nombreux exemples précédents, l’applicabilité de notre complexe n’est pas limitée par une mauvaise photo-stabilité« , a-t-elle ajouté.
Des calculs de chimie quantique avancés ont révélé les raisons clés de ce succès. Forts de ces connaissances, les chercheurs ont ensuite pu proposer comment intégrer ces caractéristiques dans les matériaux futurs. Pour l’application du complexe carbonyle de molybdène, l’équipe a ciblé deux applications : la conversion ascendante de photons et la photocatalyse.
Dans la conversion ascendante, deux photons de basse énergie sont convertis en un photon de haute énergie, un processus qui peut en principe augmenter le rendement des cellules solaires en élargissant le spectre solaire utilisé à la lumière de basse énergie.
En photocatalyse, le complexe de molybdène est utilisé pour entraîner une réaction chimique avec la lumière, qui nécessiterait autrement des conditions drastiques pour se produire. Dans les deux types d’expériences, le complexe a très bien fonctionné, approchant et même surpassant parfois les composés de métaux précieux traditionnels.
La collaboration comme clé du succès
Dans l’ensemble, ces résultats constituent une contribution significative au domaine de la photochimie durable, offrant une voie prometteuse pour le développement de matériaux peu coûteux dotés d’une photo-activité utile.
« La collaboration a joué un rôle vital pour le succès de ce projet« , a conclu le professeur Katja Heinze. « Ce n’est qu’en mutualisant notre expertise et nos ressources que nous avons pu relever les divers défis et obtenir ces remarquables résultats. »
Les efforts collaboratifs des chercheurs de la JGU, du RPTU et du MPIP ont non seulement démontré la faisabilité de l’utilisation du molybdène comme métal terrestre abondant et bon marché, mais ont également présenté une conception simple qui évite le recours à des ligands complexes.
« Nous sommes ravis de présenter nos résultats sur ce complexe carbonyle photo-stable au molybdène« , a déclaré Winald Kitzmann. « Et nous sommes enthousiastes quant aux applications potentielles et aux avancées futures qui pourraient découler de notre travail.«
En synthèse
Grâce à une collaboration fructueuse, des chercheurs allemands ont mis au point un nouveau complexe photo-actif à base de molybdène bon marché et abondant. Sa synthèse en deux étapes et sa grande stabilité en font un matériau prometteur pour des applications durables de conversion de la lumière. Ses excellentes performances en conversion ascendante de photons et photocatalyse pourraient permettre de mieux valoriser l’énergie solaire.
Pour une meilleure compréhension
Pourquoi recherche-t-on de nouveaux complexes photo-actifs ?
Pour trouver des matériaux durables et rentables pour les applications chimiques activées par la lumière, afin de transformer notre façon de produire et utiliser l’énergie.
En quoi ce nouveau complexe au molybdène est-il prometteur ?
Sa synthèse très simple en deux étapes utilise un métal abondant et bon marché. Il est de plus très stable sous irradiation lumineuse et polyvalent dans ses applications.
Comment a-t-il été testé ?
En conversion ascendante de photons et en photocatalyse, où il a donné d’excellents résultats approchant ou dépassant les complexes traditionnels.
Quel a été le facteur clé de cette réussite ?
La collaboration fructueuse entre les chercheurs de trois instituts allemands unissant leur expertise et leurs ressources.
* Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), University of Kaiserslautern-Landau (RPTU), Max Planck Institute for Polymer Research (MPIP) menée par le Professeur Katja Heinze et son doctorant Winald Kitzmann,
Légende illustration principale : Le complexe de molybdène se présente sous la forme d’un solide de couleur rouge (à gauche). Exposé à la lumière bleue, il présente une luminescence rouge (à droite). Crédit : photo/©: Winald Kitzmann
W. R. Kitzmann et al., Stable Molybdenum(0) Carbonyl Complex for Upconversion and Photoredox Catalysis, Journal of the American Chemical Society145, 16597–16609, 21 July 2023,
DOI: 10.1021/jacs.3c03832
