Synthèse, étude et caractérisation de nouveaux catalyseurs moléculaires pour la réduction du Coú en vue de son utilisation comme source de carbone

Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte général des solutions envisageables pour répondre aux problèmes du réchauffement climatique global et de la diminution des ressources fossiles. Il a été en majeure partie consacré à l'étude et au développement d'électrocatalyseurs moléculaires pour la réduction du dioxyde de carbone. Un tel procédé pourrait permettre de transformer et valoriser le CO2 en l'exploitant comme une matière première carbonée disponible en quantité non limitée, bon marché et peu toxique. Dans une première partie, un métallocavitand, dont la structure est basée sur un calix[4]arène fonctionnalisé par quatre complexes phénanthroline tris-carbonyl de rhénium(I), a été étudié en solution et sur déposé sur surface transparente conductrice. Le but de cette étude était de contrôler par un stimulus électrochimique la fermeture et l'ouverture du bord large du cavitand. La complexité des processus rédox de ces métallo-macrocycles nous a conduits à étudier en détails les propriétés électrochimiques de complexes de rhénium(I) modèles. Ces propriétés avaient précédemment été rapportées dans la littérature mais étaient sujettes à désaccords entre les différents auteurs. Finalement l'ensemble de cette étude nous a conduits à préciser et à mieux comprendre le mécanisme de la catalyse de réduction du CO2 par ce type de complexes. Dans une deuxième partie, qui représente la partie la plus conséquente de cette thèse, la synthèse, la caractérisation physico-chimique et l'étude spectro-électrochimique de complexes bipyridine tris-carbonyle de manganèse, analogues des complexes de rhénium évoqués ci-dessus, ont été entreprises. Le but était de développer un catalyseur innovant pour la réduction électrochimique du dioxyde de carbone, du type complexe métallique, en substituant les métaux rares utilisés actuellement par un métal non-noble et abondant : le manganèse. Les propriétés électrochimiques des nouveaux complexes de Mn synthétisés ont été caractérisées en détail. La simulation des voltammétries cycliques, associée à des études mécanistiques par spectro-électrochimie UV-vis, a permis d'accéder aux données cinétiques et thermodynamiques des différentes réactions chimiques associées aux réactions de transferts d'électron irréversibles. Ces complexes de manganèse se sont révélés être des électrocatalyseurs de la réduction du CO2 au moins aussi efficaces que les complexes analogues de rhénium, décrits jusque-là comme étant les meilleurs systèmes pour cette application. Les complexes de Mn ainsi préparés montrent une excellente sélectivité (rendements faradiques élevés et peu ou pas de H2) et une bonne efficacité pour l'électro-réduction du CO2 en CO en milieu hydro-organique. Les catalyses à l'échelle préparatrice fonctionnent avec des surtensions modérées. Les mécanismes mis en jeu lors de la catalyse ont été étudiés par spectro-électrochimie UV-vis et RPE (en onde continue et pulsée) associées à des caculs théoriques DFT. Un intermédiaire-clé a ainsi pu être mis en évidence et caractérisé. Enfin, l'étude des réactions de décarbonylation photo-induites dans ces complexes est rapportée.This PhD takes place in the general context of possible solutions to global warming and peak oil issues. It mostly deals with the study and development of molecular electrocatalysts for carbon dioxide reduction. This process may open the way to the use and valorization of CO2 as a raw material. In the first part, a metallocavitand, which structure is based on a calix[4]arene modified by four phenanthroline tris-carbonyl rhenium(I) complexes, was studied in solution and deposited on a conductive transparent surface. The aim of this study was to control through an electrochemical stimulus the closing and opening of the wide rim of the cavitand. Complexity of the redox properties of the metallocavitand led us to investigate in detail the electrochemical properties of simpler examples of these rhenium(I) complexes. These properties were previously described in the literature ; however, there was disagreement in the interpretation of the results. Finally this study led us to a more precise and better understanding of the mechanism of the reduction of CO2 by a complex of this kind. In the second part, which is the main part of this PhD, synthesis, physico-chemical characterization and spectro-electrochemical study of bipyridine tris-carbonyl manganese complexes, analogues of the rhenium complexes mentioned above, were undertaken. The aim was to develop an innovative catalyst for the electrochemical reduction of carbon dioxide, based on a metallic complex, by substituting rare and noble metals currently used by a non-noble and abundant metal: manganese. Electrochemical properties of newly synthesized manganese complexes were investigated in detail. Simulations of cyclic voltammetry, associated with mechanism studies by UV-vis spectro-electrochemistry, allowed us to determine kinetic and thermodynamic properties of the different chemical reactions coupled with the irreversible electron transfers. These manganese complexes proved to electrocatalyse the reduction of carbon dioxide at least as efficiently as the analog rhenium complexes which were, until now, the best system for this application. These manganese electrocatalysts exhibit a very good selectivity (high faradic yields and no or very little H2) and a good efficiency for reduction of CO2 to CO in aqueous-organic media. Preparative scale electrolysis operates at low overpotential. Mechanisms of the different catalytic pathways were studied using UV-vis and EPR (continuous wave or pulsed) spectro-electrochemistry associated with DFT calculations. A key-intermediate was evinced and investigated. Finally the study of photo-induced decarbonylation reactions of these complexes is also described.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Synthese de bis-porphyrines obliques : transfert d'energie intramoleculaire

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Elaboration et études physico-chimiques de nouveaux catalyseurs moléculaires ou composites pour l'électroréduction du CO2

Ce mémoire est consacré à l'élaboration et à l'étude physico-chimique de nouveaux catalyseurs bifonctionnels pour l'électroréduction du CO2. Dans ce contexte, une approche dite " moléculaire " et une dite " inorganique " ont été développées. Pour l'approche " moléculaire ", des catalyseurs bifonctionnels, nouveaux complexes hétérobimétalliques du type [Cl(CO)3Re(L)M(Cp*)Cl]+ (L = ligand bisdiimine ; M = Ir, Rh ; Cp* = 5-pentaméthyl-cyclopentadiényle) ont été synthétisés, et les interactions intramoléculaires entre les centres métalliques ont été étudiées. Des électrocatalyses préparatives de réduction du CO2 ont été conduites avec ces complexes en solution homogène mais aussi avec des électrodes modifiées obtenues par électropolymérisation anodique des pyrrole fonctionnalisés par ces mêmes complexes en milieu hydro-organique ou aqueux. Pour la deuxième approche " inorganique ", nous avons mis au point la synthèse des précurseurs adéquats pour élaborer des films fonctionnalisés par des complexes carbonyle de ruthénium cationiques [Ru(L)(CO)2(MeCN)2]2+ et [Ru(L)(CO)2(MeCN)]22+ (L = bipyridine substituée par des pyrroles), substrats nécessaires à la préparation de matériaux composites associant des nanoparticules métalliques et un polymère rédox. Ces complexes ont été déposés à la surface d'électrodes par électropolymérisation anodique des pyrroles et ont ainsi permis d'obtenir des films cationiques précurseurs de catalyseurs bifonctionnels. Les résultats des électrocatalyses de réduction du CO2 avec les composés issus des deux approches montrent qu'il existe des effets coopératifs au sein des catalyseurs bifonctionnels.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Catalyse moléculaire de réactions électrochimiques : Compétition entre la réduction du substrat et la désactivation du catalyseur par un co-substrat. Application à la réduction de N2O

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Catalyse moléculaire homogène de la réduction électrochimique de N2O en N2 : catalyse redox vs. catalyse chimique

International audienceHomogeneous electrochemical catalysis of N2O reduction to N2 is investigated with a series of organic catalysts and rhenium and manganese bipyridyl carbonyl complexes. An activation-driving force correlation is revealed with the organic species characteristic of a redox catalysis involving an outer-sphere electron transfer from the radical anions or dianions of the reduced catalyst to N2O. Taking into account the previously estimated reorganization energy required to form the N2O radical anions leads to an estimation of the N2O/N2O˙− standard potential in acetonitrile electrolyte. The direct reduction of N2O at a glassy carbon electrode follows the same quadratic activation driving force relationship. Our analysis reveals that the catalytic effect of the mediators is due to a smaller reorganization energy of the homogeneous electron transfer than that of the heterogeneous one. The physical effect of “spreading” electrons in the electrolyte is shown to be unfavorable for the homogeneous reduction. Importantly, we show that the reduction of N2O by low valent rhenium and manganese bipyridyl carbonyl complexes is of a chemical nature, with an initial one-electron reduction process associated with a chemical reaction more efficient than the simple outer-sphere electron transfer process. This points to an inner-sphere mechanism possibly involving partial charge transfer from the low valent metal to the binding N2O and emphasizes the differences between chemical and redox catalytic processes

Importance of Ligand Exchange in the Modulation of Molecular Catalysis: Mechanism of the Electrochemical Reduction of Nitrous Oxide with Rhenium Bipyridyl Carbonyl Complexes

International audienceMolecular catalysis of electrochemical reactions involving transition-metal complexes as catalysts requires getting a free metal coordination site to bind the substrate. It implies that the generation of a strong coordinating ligand as a product or coproduct of the reaction might be detrimental for an efficient catalysis because it can bind the metal center and block or slow down the catalytic process. This self-modulation phenomenon is revealed and illustrated via a thorough spectro-electrochemical investigation of the mechanism of the electrochemical reduction of nitrous oxide with rhenium bipyridyl triscarbonyl complexes [Re(bpy)(CO) 3 X] n+ (X = CH 3 CN, Cl − , n = 0 or 1) as a catalyst. We show that the bi-reduced [Re 0 (bpy •−)(CO) 3 ] − , electrogenerated from [Re(bpy)-(CO) 3 X] n+ , readily reacts with N 2 O and produces the hydroxo complex [Re I (bpy)(CO) 3 (OH)]. Because hydroxide, a product of the reaction, is a stronger coordinating ligand than acetonitrile or chloride, catalysis does not occur significantly at a potential where [Re 0 (bpy •−)(CO) 3 ] − is generated from [Re(bpy)(CO) 3 X] n+. Substantial catalysis is only triggered at a potential corresponding to the second reduction of [Re I (bpy)(CO) 3 (OH)]. Nonetheless, we show that a slower innersphere reduction of N 2 O by the monoreduced [Re I (bpy •−)(CO) 3 X] (n−1)+ (X = CH 3 CN, Cl −) occurs due to the lability of acetonitrile and chloride in these species. Because hydroxide is less labile and cannot be displaced to create an open coordination position for N 2 O, only an even slower outersphere reduction of N 2 O by the mono-reduced [Re I (bpy •−)(CO) 3 (OH)] − takes place. However, we finally show that an excess of free chloride is able to displace hydroxide and then open the way for a faster innersphere process. This remarkable example emphasizes the critical role of ligand exchange in modulating molecular catalysis of electrochemical reactions with transition-metal complexes as catalysts, a likely general phenomenon

Electro and photoreduction of CO 2 driven by manganese-carbonyl molecular catalysts

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Electro and photoreduction of CO 2 driven by manganese-carbonyl molecular catalysts

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[Mn(bipyridyl)(CO)3Br]: An Abundant Metal Carbonyl Complex as Efficient Electrocatalyst for CO2 Reduction

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Catalyse homogène efficace de la réduction électrochimique de l'oxyde nitreux en diazote sur des catalyseurs de type rhénium-carbonyle

International audienceWe show that reduced rhenium bipyridyl carbonyl complexes are stable and selective catalysts for deoxygenation of nitrous oxide (N2O) in organic media in the presence of water. Mechanistic studies indicate that the Re complex is initially reduced to produce the activated species. N2O then binds to labile position at the reduced metal and the resulting adduct is further reduced to trigger N–O bond breaking and release of N2. Proton donors are beneficial to enhance the catalytic rate and to reduce the energy required to generate potential limiting intermediate. These results open directions for N–O bond activation.Dans cette publication, nous montrons que les complexes réduits de rhénium bipyridylcarbonyle sont des catalyseurs stables et sélectifs pour la désoxygénation du protoxyde d'azote (N2O) en milieu organique en présence d'eau. Des études mécanistiques indiquent que le complexe Re est initialement réduit pour produire l'espèce catalytique active. Le N2O se coordine ensuite au métal réduit et complexe résultant est encore réduit pour déclencher la rupture de la liaison N-O et la libération de N2. La présence de donneurs de protons est bénéfique pour améliorer l'efficacité catalytique et pour réduire l'énergie requise pour générer l'intermédiaire réactionnel limitant. Ces résultats ouvrent des perspectives pour l'activation de la liaison N-O