Divers systèmes moléculaires ont été développés par les chercheurs pour le transfert d'électrons photoinduit (c'est-à-dire induit par la lumière), notamment des supramolécules, des matériaux hybrides et des systèmes polymères organiques. Bien que ces systèmes remplissent le critère de distance requis par le donneur et l'accepteur d'électrons pour un transfert d'électrons efficace, ils ne parviennent souvent pas à s'adapter au mouvement moléculaire, en particulier dans les environnements fluides. Existe-t-il une approche viable pour concevoir un système facilitant le transfert d'électrons sans succomber à ces limitations ?
Cette question a été spécifiquement abordée dans une étude récente menée par une équipe de chercheurs du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Dirigée par le professeur agrégé Kosuke Okeyoshi et comprenant le professeur agrégé Shun Nishimura et l'étudiante du cours supérieur Reina Hagiwara, l'équipe a maintenant développé un système nanocatalytique conjugué à un copolymère pour améliorer le transfert d'électrons actif pour une génération accrue d'hydrogène photoinduit.
Leur étude, publiée dans Chemical Communications , vise à surmonter les limites des systèmes de transfert d'électrons photoinduits actuels. L'objectif des chercheurs était d'établir un système catalytique efficace capable de favoriser le transfert d'électrons avec seulement un nombre minimum de réactions secondaires.
Le Dr Okeyoshi explique :"Ce système a des applications potentielles réelles pour l'économie de l'hydrogène. En intégrant le système à un système générateur d'oxygène, la division photoinduite de l'eau (photosynthèse artificielle) est anticipée."
À cet égard, le viologène est une molécule bien connue qui est à la fois un donneur et un accepteur d’électrons efficaces. Les chercheurs avaient précédemment exploité cette propriété du viologène pour développer un système de transfert d'électrons, qui comprenait le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-Viologène) (PNV) et des nanoparticules de platine modifiées (Pt NP).
Dans ce système, la transition de phase dépendant de la température dans le PNV répond aux changements rédox du viologène, permettant un processus de transfert d'électrons cyclique pour la génération continue d'hydrogène. Cependant, alors que les PNV proches des NP de Pt participaient au processus de transfert d'électrons, les molécules de PNV libres situées plus loin pourraient également accepter des électrons.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont maintenant conçu un système nanocatalytique conjugué à un copolymère utilisant le copolymère aléatoire ternaire poly (NIPAAm-co-Acrylamide-co-Viologen) ou PNAV, qui a été synthétisé en contrôlant avec précision le poids moléculaire et le rapport d'introduction du unités polymères.
Une caractéristique notable du PNAV est son comportement sensible à la température, marqué par une transition de phase dépendante de la température. Ce copolymère unique présente un changement perceptible, oscillant entre un état gonflé sous sa forme oxydée (PNAV 2+ ) et un état rétréci sous sa forme réduite (PNAV + ).
De plus, la connexion du PNAV aux NP de Pt implique un processus de réduction, permettant de contrôler la distance entre le viologène et les NP de Pt. Plus précisément, le gonflement/rétrécissement précis du PNAV sur les NP de Pt s'avère crucial pour le succès du processus de transfert d'électrons cyclique proposé à une distance donnée.
La présente innovation exploite les avantages d’une chaîne polymère sensible aux stimuli pour réaliser un transfert d’électrons dynamique. Le système nanocatalytique conjugué à un copolymère est non seulement prometteur pour faciliter le transfert actif d'électrons dans la génération d'hydrogène photoinduit, mais démontre également son utilité potentielle dans les réactions photosynthétiques artificielles, telles que la division de l'eau photoinduite. De plus, cette approche innovante devrait avoir des applications plus larges au-delà des réactions photochimiques pour englober divers domaines, notamment les réactions électrochimiques et la reconnaissance macromoléculaire.
Le processus de transfert d’électrons cyclique durable rendu possible par cette technologie présente ainsi des opportunités de progrès dans diverses disciplines scientifiques. "Les implications à long terme incluent la promotion d'une société d'énergie hydrogène alimentée par la lumière du soleil et la fabrication de matériaux souples bio-inspirés en tant que produits", conclut le Dr Okeyoshi.
Plus d'informations : Reina Hagiwara et al, Conception précise de nanocatalyseurs conjugués à des copolymères pour le transfert actif d'électrons, Chemical Communications (2023). DOI :10.1039/D3CC05242G
Informations sur le journal : Communications chimiques
Fourni par l'Institut avancé des sciences et technologies du Japon
