Réduction photocatalytique du CO2 entraînée par le proche infrarouge en hydrocarbures C2 par des structures à halogénures de plomb fonctionnalisées par des bis(terpyridine)-métal

Transformer la pollution carbonée en carburant utile

La majeure partie de la lumière solaire qui atteint la Terre n’est pas visible mais se présente sous la forme d’un rayonnement proche infrarouge invisible. Pourtant, la chimie alimentée par le soleil peine aujourd’hui à exploiter cette lumière de faible énergie, en particulier pour des tâches difficiles comme la transformation du dioxyde de carbone (CO2) en carburants multi‑carbone. Cette étude rapporte une nouvelle classe de matériaux solides capables d’absorber le proche infrarouge et de convertir directement le CO2 en hydrocarbures à deux atomes de carbone de valeur, tels que l’éthylène et l’éthane, ouvrant la voie à une utilisation plus complète du spectre solaire dans les technologies futures de photosynthèse artificielle.

Pourquoi le proche infrarouge compte

Les émissions de CO2 issues de la combustion des combustibles fossiles sont un des principaux moteurs du changement climatique, et plus de 130 pays se sont engagés à atteindre la neutralité carbone. Une approche séduisante consiste à utiliser la lumière solaire pour reconvertir le CO2 en molécules riches en énergie, bouclant ainsi le cycle du carbone. Cependant, cette stratégie fait face à deux grands obstacles. D’une part, environ la moitié de l’énergie solaire se situe dans le proche infrarouge, que la plupart des photocatalyseurs n’absorbent pas efficacement. D’autre part, même lorsque le CO2 est réduit, les produits sont généralement des molécules à un atome de carbone comme le monoxyde de carbone ou le méthane, et non des hydrocarbures multi‑carbone (C2+) plus utiles pour l’industrie. Les nouveaux matériaux décrits ici ont été conçus pour s’attaquer à ces deux problèmes simultanément en récoltant le proche infrarouge et en favorisant l’étape clé où deux fragments contenant du carbone se joignent pour former une liaison C–C.

Construire un cristal collecteur de lumière

Les chercheurs sont partis de matériaux hybrides à halogénures de plomb, une famille déjà reconnue pour sa forte absorption de la lumière et son bon transport de charge, puis les ont ingénierés en réseaux tridimensionnels robustes. Ils ont relié de petits amas d’ions de plomb et d’halogènes (chlorure, bromure ou iodure) à de larges molécules « antennes » construites autour du fer, du cobalt ou du nickel. Ces antennes organiques, basées sur des unités terpyridine, excellent à absorber la lumière et à retenir les électrons excités suffisamment longtemps pour que la chimie se produise. En connectant les amas métal‑halogène aux antennes par des liaisons carboxylates solides, l’équipe a créé neuf réseaux cristallins monocouches simples qui restent stables dans divers solvants, sur une plage d’acidité et jusqu’à environ 220 °C.

Capturer une plus grande partie du spectre solaire

Les mesures optiques ont montré que les neuf réseaux absorbent la lumière de l’ultraviolet au visible et jusque dans le proche infrarouge, jusqu’à environ 1150 nanomètres. Les versions à base de fer présentent les plus faibles largeurs de bande, ce qui signifie qu’elles peuvent exploiter des photons de plus faible énergie. Des études électroniques détaillées et des calculs informatiques ont révélé que les antennes organiques fournissent principalement les états électroniques initiaux, tandis que les unités plomb‑halogène acceptent les électrons excités. Lorsque la lumière frappe, des électrons migrent des unités terpyridine vers les sites de plomb, aidant à séparer les charges et à prévenir les recombinaisons inutiles. Les réseaux à base d’iodure se distinguent davantage : la façon dont les molécules de solvant se lient aux amas de plomb iodure crée un environnement local asymétrique, polarisant la charge sur des sites voisins de plomb et préparant le terrain pour une formation efficace de liaisons C–C.

Du gaz aux carburants à deux carbones

Lors d’essais photocatalytiques, les matériaux ont été suspendus dans une solution saturée en CO2 et éclairés par une lampe au xénon. Les versions chlorure et bromure ont produit principalement du monoxyde de carbone et du méthane, sans produits C2 détectables. En revanche, les structures iodure, et en particulier le composé à base de fer TJU‑60(I)‑Fe(tpy)2, ont favorisé les hydrocarbures à deux carbones : sous un éclairage à spectre complet, elles ont généré des quantités appréciables d’éthylène et d’éthane avec une forte sélectivité. Même sous une lumière strictement proche infrarouge (longueurs d’onde supérieures à 700 nm), où les photons portent moins d’énergie, le même matériau a continué de convertir le CO2 en un mélange de produits dominé par des hydrocarbures C2, atteignant une sélectivité C2 allant jusqu’à 86 % en termes d’électrons. Des expériences de contrôle avec du 13CO2 isotopiquement marqué ont confirmé que tout le carbone des produits provenait bien du CO2, et des cycles de réaction répétés ont montré que les cristaux conservaient leur structure tout en libérant seulement des traces de plomb.

Comment le matériau guide la réaction

Pour comprendre pourquoi les réseaux iodure se comportent si différemment, l’équipe a combiné une spectroscopie avancée avec une modélisation quantum‑chimique. Ils ont constaté qu’après absorption de la lumière, des électrons migrent des antennes terpyridine vers les amas de plomb iodure, où ils s’accumulent sur deux sites de plomb voisins mais inégalement chargés. Les molécules de CO2 se lient à ces sites sous une forme courbée et activée, leurs liaisons étant étirées et prêtes à réagir. Des mesures infrarouges en cours de réaction ont révélé une série d’intermédiaires fugitifs, dont l’un où deux fragments à base de carbone se rejoignent pour former une espèce *COCOH — une signature de la première liaison C–C. Les calculs ont montré que la paire polarisée de sites de plomb stabilise les deux partenaires et abaisse la barrière énergétique de cette étape de couplage, orientant la réaction vers des produits à deux carbones plutôt que vers des gaz à simple carbone.

Que signifie cela pour les carburants solaires

En termes simples, les chercheurs ont mis au point un cristal qui agit comme une petite raffinerie solaire, capable de récolter non seulement la lumière visible mais aussi le rayonnement proche infrarouge plus faible, et de canaliser cette énergie pour assembler deux atomes de carbone à partir du CO2. En façonnant soigneusement le motif de charge local autour des atomes de plomb, ils ont transformé un absorbeur passif de lumière en un site actif pour la formation de liaisons carbone–carbone. Bien que ces matériaux ne soient pas prêts pour un déploiement industriel — et que leur teneur en plomb exigera une gestion prudente —, ils démontrent un concept puissant : grâce à une conception moléculaire intelligente, il est possible d’exploiter presque l’ensemble du spectre solaire et de convertir sélectivement un gaz à effet de serre en carburants plus complexes et riches en énergie.

Citation: Li, Y., Wang, Z., He, X. et al. Near-infrared-driven photocatalytic CO₂ reduction to C₂ hydrocarbons by bis(terpyridine)-metal functionalized lead halide frameworks. Nat Commun 17, 1743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68450-z

Mots-clés: Réduction du CO2, photocatalyse proche infrarouge, photosynthèse artificielle, structures à halogénures de plomb, hydrocarbures C2