Missions

La réduction efficace du dioxyde de carbone en molécules à haute valeur ajoutée telles que le monoxyde de carbone, l'acide formique ou le méthanol constitue un défi important qui permettrait de réduire notre dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles tout en apportant également une source de matières premières pour l'industrie chimique. Les complexes de métaux de transition de la série 3d à base de Fe, Co et Ni avec des ligands de type phtalocyanines, porphyrines et polypyridines présentent une excellente activité électrocatalytique pour la réduction du CO2, mais ils sont principalement limités à la formation de monoxyde de carbone (CO).1 D'une part, l'activation du CO2 avec des catalyseurs moléculaires pour en des produits hautement réduits tels que le méthanol ou le formaldéhyde sont rares. D'autre part, l'hétérogénéisation de ces catalyseurs moléculaires à la surface des photoélectrodes a connu un succès limité. Dans ce programme, nous explorerons l'intégration de catalyseurs de réduction de CO2 dans des hydrogels polymères multifonctionnels pour tirer parti des bénéfices de ce mode d'immobilisation afin de booster leurs performances et leurs stabilités. Nous anticipons que les groupes pendants de la chaîne latérale du polymère permettront de : i) contrôler l'environnement du catalyseur, tels que la permittivité, l'hydrophilie et le transport de protons ; ii) stabiliser les états de transition et les intermédiaires réactionnels grâce aux groupements situés dans la seconde sphère de coordination et iii) faciliter le transport du CO2 au sein de la matrice d'hydrogel. En effet, il est bien documenté que la réduction du CO2 est considérablement affectée par l'environnement autour du catalyseur comme c'est le cas dans de nombreuses enzymes redox, dont l'échafaudage protéique modifie l'activité du centre catalytique actif.2 Notre objectif dans ce programme est donc de mimer, de manière plus simple, la fonction de la matrice protéique à l'aide d'un copolymère incorporant un bon catalyseur de réduction du CO2, un relais de protons et des groupes fonctionnels appropriés pour stabiliser l'état de transition pendant la catalyse et fournir une bonne solubilité du CO2 dans le gel polymère. Cette approche, rarement explorée, s'appuie sur les résultats préliminaires de certains membres du consortium.3 Elle promet des résultats originaux et de premier plan. Ce projet pluridisciplinaire s'inscrit dans un vaste programme de collaborations internationales fondées sur une synergie étroite entre l'équipe de Fabrice Odobel à l'Université de Nantes, celles de Nicolas Plumeré à l'Université technique de Munich, de Marc Robert à l'Université Paris Cité, et de David Tilley à l'Université de Zurich. Globalement, l'objectif principal de ce projet est de développer des matériaux catalytiques innovants basés sur des hydrogels déposés sur des photoélectrodes semi-conductrices pour la réduction photocatalytique du CO2 afin d'atteindre des performances sans précédent qui pourront trouver des applications dans les secteurs de l'énergie et l'industrie chimique.

References:
(1).Dalle, K. E.; Warnan, J., et al. Electro- and Solar-Driven Fuel Synthesis with First Row Transition Metal Complexes. Chem. Rev. 2019, 119, 2752.
(2).Amanullah, S.; Saha, P., et al. Biochemical and artificial pathways for the reduction of carbon dioxide, nitrite and the competing proton reduction: effect of 2nd sphere interactions in catalysis. Chem.Soc. Rev. 2021, 50, 3755.
(3).(a) Pati, P. B.; Wang, R., et al. Photocathode functionalized with a molecular cobalt catalyst for selective carbon dioxide reduction in water. Nature Commun. 2020, 11, 3499.; (b) Wang, R.; Boutin, E., et al. Carbon Dioxide Reduction to Methanol with a Molecular Cobalt-Catalyst-Loaded Porous Carbon Electrode Assisted by a CIGS Photovoltaic Cell. ChemPhotoChem 2021, 5, 705.; (c) Li, H.; Münchberg, U., et al. Suppressing hydrogen peroxide generation to achieve oxygen-insensitivity of a [NiFe] hydrogenase in redox active films. Nature Commun. 2020, 11, 920.

Activités

L'activité principale de ce post-doctorat est de synthétiser de nouveaux hydrogels à base de co-polymères contenant un catalyseur moléculaire et divers groupes fonctionnels. Ces matériaux seront ensuite testés pour la réduction électro- puis photo-catalytique du CO2. Dans ce but, le (la) candidat(e) sera impliqué(e) dans les tâches suivantes :.
1- Synthèse de monomères de type méthacrylate contenant : des catalyseurs moléculaires, des fractions acides, des unités hydrophiles et une deuxième sphère de coordination (comme le groupe ammonium). Il nécessite des bonnes compétences en synthèse organique et en chimie de coordination.
2- Préparation de polymères par co-polymérisation radicalaire des monomères ci-dessus, nécessitant une réelle expérience en chimie macromoléculaire.
3- Etudier les performances électro- et photo-catalytiques des matériaux synthétisés par des séjours dans des laboratoires partenaires.
4- Présentation des résultats lors de réunions d'avancement avec le consortium.
5- Rédaction de rapports (bibliographie et résultats expérimentaux).

Compétences

Nous recherchons un(e) chercheur(se) très motivé(e), créatif(ve), titulaire d'un doctorat en chimie et plus particulièrement en chimie des polymères intéressé(e) par un projet multidisciplinaire mêlant synthèse organique, chimie des polymères et électrocatalyse. Le(la) candidat(e) doit avoir une bonne expérience en synthèse organique et notamment en science des polymères et des compétences en électrochimie sont également intéressantes. Par exemple, une expérience préalable en polymérisation radicalaire ou en synthèse de polymères est cruciale De plus, le candidat/la candidate doit être motivé(e) et capable de travailler de manière autonome et en équipe car le projet se fera en collaboration avec d'autres équipes de recherche. La personne sera accueillie dans un groupe convivial et devra être prête à participer à un travail d'équipe.

Contexte de travail

Le projet sera réalisé dans le groupe de Fabrice Odobel au laboratoire CNRS CEISAM, situé dans le campus de l'Université de Nantes en France. L'équipe est composée de 4 chercheurs permanents, 2 post-doctorants et 6 doctorants. L'Institut CEISAM ("Chimie Interdisciplinaire : Synthèse, Analyse, Modélisation") regroupe l'ensemble des activités de recherche menées dans le domaine de la chimie moléculaire à Nantes et ses environs. L'Institut CEISAM est situé sur le campus de la Faculté des Sciences de l'Université de Nantes. Le CEISAM dispose d'environ 3 000 m2 d'espace, et accueille environ 140 chercheurs d'horizons différents, spécialisés dans les domaines de la chimie, des sciences des matériaux, des matériaux hybrides, de l'électrochimie, de la photochimie, des développements méthodologiques en chimie analytique et de la modélisation moléculaire. Le laboratoire dispose de tous les équipements et des caractérisations les plus récents pour la synthèse organique, la chimie des polymères et la chimie de coordination (spectromètres RMN et de masse, banc d'électrochimie, de photoélectrochimie, multiple appareillages de chromatographie, etc…).

Contraintes et risques

Risques inhérents à ceux d'un laboratoire de chimie.