Un nouveau complexe de manganèse ouvre la voie à une chimie durable
Traditionnellement, les réactions chimiques sont principalement favorisées par la chaleur. Cependant, ces dernières années, la lumière s’est imposée comme une source d’énergie alternative, permettant un contrôle exceptionnel des réactions chimiques. Ce phénomène est désigné sous le terme de photochimie. Le défi de cette méthode résidait toutefois dans l’utilisation de matériaux coûteux et rares tels que le ruthénium, l’osmium ou l’iridium, dont l’extraction engendre également des impacts environnementaux négatifs. Une équipe de chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) a récemment développé un complexe métallique novateur basé sur le manganèse, un élément à la fois bon marché et abondant. "Ce complexe métallique établit une nouvelle référence en photochimie : il combine une durée d’excitation record avec une synthèse simplifiée", a déclaré la Professeure Katja Heinze de la faculté de chimie de la JGU. "Il représente ainsi une alternative puissante et durable aux complexes de métaux précieux qui dominent la chimie induite par la lumière." Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Nature Communications.
Le manganèse, plus de 100 000 fois plus répandu sur Terre que le ruthénium, n’avait jusqu’ici que des applications limitées en photochimie, en raison de la complexité de sa synthèse, souvent longue de plusieurs étapes. "Le nouveau complexe de manganèse surmonte ces défis", a précisé le Dr Nathan East, ancien doctorant dans l’équipe de Heinze. La nouvelle matière est synthétisée directement à partir de matériaux disponibles sur le marché, et ce, en une seule étape.
Les chercheurs utilisent également un ligand qui permet d’ajuster les propriétés du complexe. "La combinaison d’un sel de manganèse incolore et d’un ligand incolore produit immédiatement une couleur violette intense, semblable à celle de l’encre. C’est une couleur peu commune pour un complexe de manganèse, ce qui indique qu’un phénomène unique se produit", a ajouté Sandra Kronenberger, qui a poursuivi l’étude de ce complexe novateur en tant que doctorante au Max Planck Graduate Center. Ce complexe ne se contente pas d’être esthétiquement intéressant, il présente également des caractéristiques remarquables : "Sa capacité d’absorption de la lumière est exceptionnellement forte, ce qui accroît la probabilité de capture d’un photon – il utilise ainsi la lumière de manière très efficace", a expliqué le Dr Christoph Förster, qui a soutenu le projet par des calculs quantiques.
La durée d’excitation du complexe atteint également un niveau impressionnant de 190 nanosecondes, soit deux ordres de grandeur de plus que n’importe quel complexe précédemment connu avec des métaux communs comme le fer ou le manganèse. Dans le cadre de la photochimie, le catalyseur, ici le complexe de manganèse, est excité par la lumière. Lorsqu’il rencontre une autre molécule par diffusion, il lui transfère un électron. "Nous avons pu détecter le produit initial de la photoréaction – le transfert d’électron qui s’est produit – prouvant ainsi que le complexe réagit comme prévu", a résumé la Professeure Katja Heinze. Cette découverte élargit les horizons de la photochimie durable. Grâce à sa synthèse scalable en une étape, à son absorption lumineuse efficace, à son comportement photophysique robuste et à sa durée d’excitation prolongée, ce nouveau matériau à base de manganèse ouvre la voie à de futures applications à grande échelle des photoréactions, un potentiel qui pourrait être crucial pour la production durable d’hydrogène.
Bon à savoir
- Faits sur le manganèse : Cet élément est essentiel pour de nombreuses réactions chimiques et est abondamment présent dans la croûte terrestre.
- Photocatalyse : Cette méthode pourrait transformer la manière dont nous envisageons la production d’énergie renouvelable, ouvrant des pistes intéressantes pour des domaines comme le stockage de l’énergie.
- Applications potentielles : Outre la production d’hydrogène, les complexes de manganèse pourraient avoir des applications dans les matériaux à base de lumière ou dans des systèmes de dégradation de polluants.
La recherche sur les complexes métalliques abordables et durables pourrait avoir des répercussions significatives sur notre avenir énergétique. Comment cette avancée influencera-t-elle d’autres domaines de la chimie ? La réponse à cette question pourrait façonner notre approche de la durabilité à l’échelle mondiale.