Conception de catalyseurs hybrides enzyme/nanomatériaux et de solvants sur mesure pour réduire le CO₂ par des procédés photochimiques et électrochimiques en présence d’oxygène

Résumé :

Dans la recherche de nouvelles voies de valorisation du CO₂ respectueuses de l’environnement, l’utilisation d’enzymes représente une approche prometteuse. Parmi elles, la monoxyde de carbone déshydrogénase (NiFe-CODH) réduit de manière réversible le CO₂ en CO avec une performance et une sélectivité remarquable en conditions douces. Pour ces raisons, plusieurs études ont exploré les [NiFe]-CODH en vue d’applications dans la réduction électrocatalytique et photocatalytique du CO2.
Cependant, l’extrême sensibilité à l’oxygène de leur site actif constitué d’un centre multimétallique NiFE4S4, limite leur intégration dans des dispositifs industriels. Par conséquent, plusieurs stratégies ont été développées pour améliorer la tolérance à l’O₂ des systèmes électrocatalytiques et photocatalytiques à base d’enzymes. Parmi celles-ci, l’utilisation de solvants eutectiques profonds (DES) s’est avérée être une méthode intéressante pour la production photocatalytique d’hydrogène à base d’enzymes.

Dans cette thèse, plusieurs méthodes de modification de surface pour la conception d’électrodes à base de nanotubes de carbone visant à optimiser l’interface CODH-électrode et, par conséquent, à améliorer les performances électrocatalytiques pour la réduction du CO₂ ont été développées. Une fois optimisées en milieu aqueux, les performances des bioélectrodes ont été étudiées dans des DES, et l’effet protecteur de ce solvant non conventionnel contre l’exposition à l’O₂ a été exploré. Les connaissances acquises jusque-là ont finalement été réutilisées pour développer des photosystèmes hybrides semi-conducteur-enzyme (SEHP). Le nitrure de carbone a été modifié par une méthode de greffage au diazonium, caractérisé et démontré comme coopérant avec la CODH pour réaliser de la photoproduction de CO.
Le système était également opérationnel dans un DES, avec des performances catalytiques améliorées, ce qui laisse entrevoir un avenir prometteur pour le développement de SEHP à base de CODH sensibles à l’O₂.

Dans l’ensemble, ces travaux constituent une nouvelle étape vers l’intégration de biocatalyseurs sensibles à l’O₂ dans les technologies pertinentes d’utilisation du CO₂. ​​​​

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Contact : alain.farchi@cea.fr