Le KAIST met au point une plateforme moléculaire permettant de contrôler de manière sélective les voies de réaction de l'oxygène
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Le contrôle des réactions de l’oxygène est essentiel pour améliorer des technologies telles que les batteries, les piles à combustible et les procédés chimiques respectueux de l’environnement. Une équipe de recherche du KAIST a mis au point un nouveau système moléculaire capable de modifier de manière sélective la voie par laquelle les électrons sont transférés lors de l’activation de l’oxygène. Ces résultats devraient fournir un principe de conception fondamental pour les catalyseurs et les technologies de conversion d’énergie de nouvelle génération.
Figure 1. Représentation schématique d'un complexe de germanium capable d'effectuer un transfert de quatre électrons grâce à la coopérativité redox germanium-ligand (en haut à gauche), ainsi que du transfert sélectif de deux électrons et de la réactivité ambiphile de l'intermédiaire à deux électrons formé par méthylation (en haut au centre et en haut à droite).
KAIST
Le KAIST (présidé par Choongsik Bae) a annoncé le 22 juillet qu’une équipe de recherche dirigée par le professeur Seung Jun Hwang, du département de chimie, avait mis au point un système moléculaire capable d’orienter l’activation de l’oxygène selon une voie de transfert d’électrons choisie. En associant le germanium à un réseau moléculaire capable de stocker et de transférer des électrons, l’équipe a établi un principe de conception permettant de basculer de manière sélective l’activation de l’oxygène entre des voies à deux et à quatre électrons.
Les catalyseurs destinés à contrôler les réactions de l’oxygène ont traditionnellement été développés autour de centres de métaux de transition tels que le fer, le cobalt et le nickel. Le germanium, en revanche, est un élément du groupe principal appartenant au même groupe du tableau périodique que le silicium et a généralement été considéré comme moins adapté aux réactions nécessitant le transfert coordonné de plusieurs électrons.
Pour surmonter cette limitation, l’équipe de recherche a associé le germanium à un ligand redox-actif, un réseau moléculaire capable de stocker, d’accepter et de transférer des électrons. Le ligand sert de réservoir d’électrons et coopère avec le centre de germanium, permettant ainsi à l’ensemble de la structure moléculaire de participer à des réactions multi-électroniques.
Lorsque l’oxygène réagit, les produits et les résultats de la réaction dépendent du nombre d’électrons transférés : deux ou quatre. En général, la réduction de l’oxygène à deux électrons produit du peroxyde d’hydrogène, tandis que la réduction à quatre électrons produit de l’eau. Le contrôle sélectif de ces voies constitue donc un défi majeur dans le développement des batteries, des piles à combustible et des catalyseurs chimiques plus écologiques.
Cette étude présente un exemple rare de système moléculaire du groupe principal dans lequel la réactivité à deux et à quatre électrons peut être activée de manière sélective au sein d’une même structure moléculaire sous-jacente. Cette approche élargit l’éventail des éléments pouvant être pris en compte dans la conception de catalyseurs et offre une stratégie alternative au recours exclusif aux métaux de transition.
L’équipe a également réussi à isoler et à analyser un composé de germanium représentant l’étape à deux électrons de la réaction, qu’elle a stabilisé en fixant un groupe méthyle au complexe de germanium. Fait remarquable, l’atome de germanium de ce composé pouvait à la fois donner et accepter des électrons, ce qui fournit un indice important sur la manière dont le système contrôle les différentes voies de réaction.
L’équipe a également confirmé le potentiel pratique de ce nouveau système. Dans des conditions douces et à l’abri de la lumière, le complexe de germanium a éliminé des atomes d’halogène, tels que le brome et le chlore, de composés organiques et a régénéré des alcènes (composés organiques contenant une double liaison carbone-carbone), qui sont largement utilisés comme matières premières pour les produits pharmaceutiques, les plastiques et d’autres produits chimiques. Ces résultats suggèrent que des matières premières chimiques utiles pourraient être produites grâce à des procédés plus simples et potentiellement plus économes en énergie.
« Nous espérons que ces découvertes guideront le développement de catalyseurs de nouvelle génération pour la conversion d’énergie et contribueront à des procédés chimiques plus sélectifs et plus efficaces », a déclaré le professeur Hwang.
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