Transformer le CO₂ en CO : une nouvelle stratégie inspirée du vivant

Transformer le CO₂ en molécules à plus forte valeur ajoutée comme le monoxyde de carbone (CO) constitue un enjeu majeur pour la transition énergétique et le développement de procédés durables de production de carburants et de produits chimiques. Malgré des progrès importants, les catalyseurs actuels utilisés pour accélérer cette réaction restent souvent limités en termes d’efficacité ou/et sélectivité.

Pour optimiser ces catalyseurs, des scientifiques de l’Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (CNRS/Université Paris-Saclay), de l’Institut des sciences du vivant Frédéric Joliot (CNRS/CEA/ Université Paris-Saclay) et de l’Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/INSA Rennes/ENSC Rennes/Université Rennes 1) se sont inspirés du fonctionnement des enzymes naturelles qui accélèrent des milliers de réactions dans notre organisme pour dégrader les aliments, transformer les sucres ou produire l’énergie dont nos cellules ont besoin. Dans ces systèmes, la réactivité du centre métallique ne dépend pas uniquement du métal lui-même mais également des groupes chimiques situés à proximité, dans ce que l’on appelle la seconde sphère de coordination, qui jouent également un rôle essentiel. Mieux comprendre l’influence de ce paramètre pourrait permettre d’améliorer l’efficacité des catalyseurs dédiés à la capture et la transformation du CO₂.

Les scientifiques ont ainsi conçu deux variantes d’un catalyseur à base de porphyrine de fer fonctionnalisé par des groupes chimiques organiques de type urée, susceptibles d’établir des liaisons hydrogène avec les molécules impliquées dans la réaction. Les deux catalyseurs possèdent exactement les mêmes fonctions chimiques mais celles-ci sont orientées différemment dans l’espace. Dans le premier, elles se font face ; dans le second, elles sont placées côte à côte. Cette différence, très subtile à l’échelle de la molécule, modifie pourtant profondément la manière dont le catalyseur interagit avec le CO₂.

En combinant des expériences électrochimiques et spectroscopiques (UV-Visible et infrarouge) avec des calculs théoriques de chimie quantique (DFT), les équipes ont montré que la position des groupements chimiques dans la seconde sphère de coordination modifie profondément le mécanisme et l’efficacité de la réduction du CO₂. Lorsque les groupes urée sont disposés de manière adjacente, l’environnement autour du fer devient plus accessible et plus flexible. Cette organisation favorise l’insertion d’une seconde molécule de CO₂ au cours de la réaction et permet ainsi la conversion du CO₂ en CO, même en l’absence d’acides ou de sels métalliques ajoutés. De plus, dans des conditions protiques, la vitesse de réaction atteint jusqu’à 2,72 × 10⁷ s⁻¹, une valeur parmi les plus élevées rapportées pour une catalyse moléculaire homogène.

Ces travaux, publiés dans la revue Angewandte Chemie International Edition, montrent que la performance d’un catalyseur ne dépend pas uniquement des propriétés du centre métallique, mais également de la manière dont son environnement est organisé dans l’espace. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour concevoir des catalyseurs bio-inspirés capables de transformer le CO₂ de manière plus efficace et dans des conditions plus durables.

Rédacteur : CCdM