Études mécanistiques de la réaction de production d'hydrogène

Le développement de sources d’énergie renouvelable est d’une importance cruciale face au défi énergétique du 21^ème siècle. La conception de photo(électro)catalyseurs pour la production d'hydrogène vert est une voie de recherche prometteuse pour développer des sources d'énergie renouvelable abondantes, peu coûteuses et respectueuses de l'environnement.^1-3 L’équipe BiosCiences de l’iSm2 a mis au point des séries de complexes à base ligands rédox actifs qui sont des catalyseurs efficaces pour la production électrocatalytique et photocatalytique d’hydrogène.^4-7 Ces complexes sont basés sur les métaux de la première série de transition et possèdent donc des électrons non-appariés. Cette spécificité fait de ces complexes des candidats adaptés pour des études de leur structure et de leur réactivité à l’aide la technique de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE). C’est dans ce contexte que s’inscrit la collaboration avec l’équipe MAG qui est dotée d’appareillages de pointe pour les mesures de spectroscopies magnétiques. Lors de travaux antérieurs, l’équipe BiosCiences a cherché à identifier les éléments clés contrôlant la réactivité de ces catalyseurs pour accroitre leur réactivité.^8,9 Ils ont étudié l’impact de diverses modulations chimiques induisant des différences notables quant à l’efficacité de la réaction de production photo(électro)catalytique d’hydrogène sans pouvoir rationaliser ces effets.^10,11 Des études mécanistiques ont permis de proposer des voies de réaction plausibles menant à la formation d'hydrogène mais n’ont pas apporté d’informations claires sur les intermédiaires clés et les étapes cinétiques limitantes.^12-14 Obtenir ces informations permettrait de poser les bases de futures recherches visant à concevoir des systèmes catalytiques efficaces et robustes pour la production d’hydrogène vert. Ce projet propose une nouvelle approche basée sur l’étude par spectro-électrochimie du mécanisme de réaction des catalyseurs pour mieux comprendre leur fonctionnement. La production d’hydrogène impliquant des transferts d’électrons et de protons vers le catalyseur, elle engendre la formation d’intermédiaires dont nous ignorons la stabilité, la durée de vie et la structure. Pour étudier ces processus, nous réaliserons un banc de couplage RPE et électrochimie permettant de suivre en temps réel les changements d’état de spin des complexes au cours du processus catalytique. Les études prévues vont permettre de monitorer in-situ la formation des intermédiaires réactionnels formés et fourniront des informations cinétiques ainsi qu'une analyse quantitative des espèces réactives formées. Les analyses que nous réaliserons permettront de déterminer le rôle de ces intermédiaires sur l’efficacité de la réaction et de mettre en évidence les possibles processus affectant négativement les performances catalytiques (désactivation des catalyseurs, mécanismes compétitifs). Ce projet de recherche à élucider le cycle catalytique des photo(électro)catalyseurs dans le but de mieux comprendre leur fonctionnement et d’améliorer leur stabilité et leurs performances en production d’hydrogène vert.

Références

1. https://www.economie.gouv.fr/presentation-strategie-nationale-developpement-hydrogene-decarbone-france#

2. M. Y. Darensbourg, E. J. Lyon and J. J. Smee, Coord. Chem. Rev., 2000, 206–207, 533–561.

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7. M. Papadakis, G. Landrou, M. Poisson, L. Delmotte, K. Achileos, S. Bertaina, R. Hardré, K. Ladomenou, A. G. Coutsolelos and M. Orio, Eur J Inorg Chem, 2023, 26, e202300352.

8. A. Barrozo, M. Orio, Chem. Sus. Chem., 2019, 12, 4905-4915.

9. M. Orio, D. A. Pantazis, Chem. Comm., 2021, 57, 3952-3974.

10. M. Papadakis, A. Barrozo, T. Straistari, N. Queyriaux, A. Putri, J. Fize, M. Giorgi, M. Réglier, J. Massin, R. Hardré and M. Orio, Dalton Trans., 2020, 49, 5064–5073.

11. M. Papadakis, J. Mehrez, I. Wehrung, L. Delmotte, M. Giorgi, R. Hardré and M. Orio, ChemCatChem, 2024,   e202400426.

12. A. Barrozo and M. Orio, RSC Adv., 2021, 11, 5232–5238.

13. A. Barrozo and M. Orio, ChemPhysChem, 2022, 23, e202200056.

14. J. Mehrez, A. Barrozo, L. Delmotte, R. Hardré, M. Papadakis, M. Orio, Dalton Trans., 2025, DOI: 10.1039/D4DT03507K

l’énergie et de la catalyse.

Le candidat recherché doit avoir une solide formation en chimie générale et en chimie physique. De bonnes connaissances en électrochimie et spectroscopie seront fortement appréciées. Une note moyenne de minimum 12/20 em Master 1 et Master 2 est requise.