Des chercheurs du groupe LEDNA du laboratoire NIMBE (UMR CEA-CNRS), en collaboration avec plusieurs partenaires internationaux, démontrent qu’il est possible de modifier la structure électronique de nanodiamants afin de produire des électrons solvatés sous illumination visible. Cette avancée ouvre la voie à de nouveaux photocatalyseurs capables d’exploiter l’énergie solaire pour activer des réactions chimiques particulièrement exigeantes, comme la réduction du dioxyde de carbone (CO₂).
Les électrons solvatés figurent parmi les espèces réductrices les plus puissantes connues en chimie. Dans l’eau, leur potentiel de réduction atteint environ -2,9 V (vs NHE), ce qui permet d’activer des molécules particulièrement stables comme le dioxyde de carbone. Le nanodiamant hydrogéné constitue un matériau prometteur pour produire ces électrons, car il présente une structure électronique unique en surface qui permet sous illumination la formation et la solvatation de ces électrons dans l’eau. Toutefois, un verrou majeur limite ces applications : la large bande interdite du diamant (~ 5,5 eV) impose une excitation par lumière ultraviolette profonde, énergétiquement coûteuse et susceptible d’endommager les interfaces diamant-solvant.
Pour lever cette contrainte, les chercheurs ont mis au point une stratégie d’ingénierie des états électroniques en greffant sur des nanodiamants un photosensibilisateur moléculaire dérivé du complexe ruthénium tris-bipyridine. Fixée à la surface par des liaisons organiques adaptées, cette molécule introduit de nouveaux niveaux électroniques au sein de la bande interdite du diamant. Des analyses spectroscopiques avancées (absorption des rayons X, photoémission ultraviolette et spectroscopie d’absorption transitoire) montrent que ce colorant interagit étroitement avec le nanodiamant et est capable d’alimenter l’émission d’électrons solvatés sous illumination visible.
La pertinence de ce concept est démontrée par une réaction photocatalytique modèle : la réduction du CO₂ en molécules valorisables pour l’industrie. Déposés sur des électrodes, ces nanodiamants fonctionnalisés produisent jusqu’à 0,76 µmol cm⁻² h⁻¹ de formate sous illumination solaire dans des milieux à base de liquides ioniques, soit près du double de l’activité observée avec des nanodiamants non modifiés. Ces performances sont comparables, voire supérieures, à celles rapportées pour d’autres systèmes à base de diamant pour la réduction du CO₂, confirmant l’intérêt de cette stratégie de photosensibilisation.
Au-delà de cette preuve de concept, ces résultats ouvrent des perspectives pour le développement de photocatalyseurs à base de nanodiamants capables d’exploiter directement l’énergie solaire pour des réactions de réduction difficiles. Les travaux futurs viseront notamment à concevoir des photosensibilisateurs plus durables et à optimiser les conditions réactionnelles et les architectures de réacteurs afin d’améliorer l’efficacité globale de ces systèmes photocatalytiques.
Référence
« Intrabandgap States Engineering in Functionalized Nanodiamond to Generate Solvated Electrons for Photocatalysis Under Solar Illumination », Advanced Functional Materials, 2025.
Collaboration
- Institut Lumière Matière (UMR5306 Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS), Villeurbanne, France.
- Institute of Organic Chemistry, Université de Stuttgart, Allemagne.
- Chemistry Research Laboratory, Université d’Oxford, Royaume-Uni.
- Ångström Laboratory forInorganic Chemistry, Université d’Uppsala, Suède.
- IOLITEC (Ionic Liquids Technologies) GmbH, Heilbronn, Allemagne.
- Center For Integrated Quantum Science and Technology (IQST), Stuttgart, Allemagne.
Contact
- Hugues Girard, Directeur de recherche, Laboratoire Édifices Nanométriques – LEDNA, Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l’Énergie – NIMBE, CEA-IRAMIS.
- Jean-Charles Arnault, Directeur de recherche, Laboratoire Édifices Nanométriques – LEDNA, Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l’Énergie – NIMBE, CEA-IRAMIS.