Des chercheurs du groupe Llobet ont développé un nouveau matériau moléculaire à base d'oligomères et l'ont utilisé comme catalyseur dans l'oxydation de l'eau, atteindre des densités de courant sans précédent pour les catalyseurs moléculaires. L'article "Electrocatalyse d'oxydation de l'eau utilisant des oligomères de coordination de ruthénium adsorbés sur des nanotubes de carbone multiparois, " a été publié dans Chimie de la nature .

La génération d'électro-anodes et de cathodes pour les dispositifs de séparation de l'eau basés sur des complexes moléculaires ancrés sur des surfaces solides gagne du terrain grâce à leurs propriétés polyvalentes et modulaires grâce à la conception de ligands. Après avoir étudié le comportement catalytique des oligomères de formule générale {[Ru(tda)(4, 4'- bpy)]n(4, 4'-bpy)} (où n est 1, 2, 4, 5 ou 15), les scientifiques de l'équipe Llobet de l'ICIQ ont entrepris de les ancrer sur des surfaces graphitiques. « Nous avons décidé de concevoir un matériau oligomère basé sur notre puissant catalyseur Ru(tda) pour passer d'applications homogènes à des applications hétérogènes. Nous avons dû ancrer le catalyseur sur une surface pour trouver une application tangible sur les dispositifs de séparation d'eau, " explique Marcos Gil-Sepulcre, chercheur postdoctoral et coordinateur de groupe au groupe Llobet et premier co-auteur de l'article.

En collaboration avec des partenaires internationaux tels que Johannes Elemans à l'Institute for Molecules and Materials Radboud University et Christina Scheu au Max-Planck-Institut fur Eisenforschung GmbH à Düsseldorf, les scientifiques ont effectué plusieurs études de microscopie pour caractériser les matériaux hybrides. En outre, La diffusion des rayons X aux petits angles en incidence rasante (GIWAXS) a été réalisée au synchrotron d'Alba par Marc Malfois et Eduardo Solano. Plus loin, calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), menée par le groupe ICIQ Maseras, explorer la nature de l'interaction entre les oligomères et les surfaces graphitiques. Des mesures par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) ont également été utilisées, en collaboration avec le groupe de D. Moonshiram à IMDEA Nanociencia, analyser les oligomères aux surfaces graphitiques, et évaluer leur devenir pendant et après la catalyse. Les chercheurs ont ainsi confirmé la nature moléculaire de l'oligomère et découvert qu'il est adsorbé à la surface graphitique via des interactions catalyseur aromatique-surface C-H-π - une stratégie d'ancrage qui n'a jamais été décrite pour les catalyseurs moléculaires jusqu'à présent.

Un seul monomère de l'oligomère utilisé est incapable de s'ancrer car ses interactions avec la surface sont trop faibles. Trouver la force du nombre, une fois que plusieurs unités sont introduites, le grand nombre d'interactions C-H-π stabilise l'ensemble de la chaîne. La conformation du matériau hybride (un nanotube entouré d'oligomères) est la raison de sa grande efficacité :tous les atomes de ruthénium dans les oligomères sont des centres catalytiques actifs, par opposition au déversement de tons d'oxydes sur les électrodes comme cela se fait habituellement en science des matériaux.

Le matériau moléculaire hybride résultant se comporte comme une électro-anode robuste et puissante pour la réaction d'oxydation de l'eau, atteignant des densités de courant sans précédent pour les catalyseurs moléculaires dans toute la gamme de pH, mais surtout à pH neutre. "A notre connaissance, il n'y a pas de polymère de coordination, MOF ou COF, ou un matériau organométallique qui travaille dans des conditions neutres, donne ces courants et est stable, " affirme Gil-Sépulcre.

Le travail fournit la base pour la conception de matériaux d'électro-anodes moléculaires hybrides robustes et efficaces pour l'oxydation de l'eau à base de complexes de Ru, qui peut être étendue à d'autres métaux de transition et à d'autres réactions catalytiques. L'équipe travaille déjà à la mise en œuvre du matériau hybride sur des cellules photoélectrochimiques pour tester ses applications dans un dispositif de séparation d'eau.