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Description illustration de l'article

MU5CI402

Assemblages nanométriques fonctionnels

 

Mots clés : de la molécule inorganique au matériau ; catalyse et transfert d’atomes ;  photosynthèse artificielle : photo-dissociation de l’eau ; activation de CO2 ; propriétés redox ; stockage de l’énergie et de l’information

Responsable

Anna Proust, Professeur, Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Sorbonne Université

ECTS

Cours

TD

TP

Tutorat

Ecrit

CC

TP

Oral

Eval. répartie

6

40

8

 

12

80%

 

 

20%

oui

Descriptif de l’UE

Cette UE se propose d’illustrer une démarche, de la molécule au dispositif ou au matériau, pour la construction raisonnée d’édifices polymétalliques ou de nanoparticules de taille et morphologie contrôlées, avec des applications variées, relevant essentiellement ici de la chimie ou de la photochimie. Les cours visent à montrer comment la chimie inorganique moléculaire, dans sa diversité, permet d’apporter des réponses aux enjeux de notre société moderne autour des questions environnementales et de la chimie verte, de la conversion et du stockage de l’énergie solaire, du stockage de l’information …. Cette UE peut s’intégrer dans un parcours de formation axé sur la synthèse de systèmes moléculaires élaborés ou dans un parcours de formation plus orienté vers l’étude des propriétés des matériaux.

Objectifs d’apprentissage

Les étudiants seront capables de mettre en application différentes stratégies pour la synthèse de structures inorganiques fonctionnelles selon une approche bottom-up (assemblage d’unités élémentaires). Ils auront acquis une formation à l’étude des propriétés redox et photochimiques des complexes, aux techniques photophysiques correspondantes, et pourront l’appliquer pour comprendre, voire prévoir, leur réactivité. Ils se seront également formés à l’étude de réactions catalytiques, utilisant des catalyseurs inorganiques homogènes ou des nanoparticules. Par ailleurs, ils sauront analyser avec un esprit critique les travaux de la littérature scientifique.

PrErequis

Les étudiants aborderont cette UE avec un intérêt pour la chimie inorganique moléculaire et des connaissances sur les complexes inorganiques (structure électronique, nature de la liaison métal-ligand). Ils seront amenés à utiliser les notions acquises dans les méthodes de caractérisation classiques, spectroscopies IR, RMN et d’absorption électronique.

Langue(1)

Cours, TD, TP

Documents

Bibliographie

 

Français (sauf conditions particulières pour étudiants étrangers)

anglais

anglais

(1) D’une manière générale, les documents de cours sont à rédiger en anglais. Les sujets d’examen sont en anglais ou accompagnés d’une explication en anglais s’il y a des étudiants non francophones.

Fonctionnement de l’UE

L’UE est divisée en quatre cours portant respectivement sur

-  les oxydes moléculaires ou polyoxométallates (POMs): il s’agit d’introduire une nouvelle famille versatile de complexes inorganiques. L’introduction présente les principales structures, les méthodes de caractérisation et les grands domaines d’application, incluant le domaine de la catalyse d’oxydation qui ne sera pas repris par la suite. Les principes de la synthèse des POMs illustrent les réactions de condensation en chimie inorganique et permettent de discuter l’influence du pH, du solvant, des contre ions. Le cours met alors en avant  la capacité des POMs à jouer le rôle de relai électronique ou de réservoir à électrons : l’étude des propriétés redox est l’occasion d’aborder les applications possibles dans les domaines du photovoltaïque, du stockage de l’information (dispositifs pour l’électronique moléculaire) ou du stockage de l’énergie (batteries ou supercondensateurs moléculaires).

- Nanoparticules métalliques et applications en catalyse: Ce volet de l’UE est consacré à l’étude des stratégies visant à élaborer des nanoparticules métalliques de compositions, de tailles et de morphologies contrôlées en ayant recours à l’approche colloïdale. Les nanoparticules ainsi préparées présentent un intérêt en catalyse « quasi-homogène » / « micro-hétérogène » ou, après dépôt, en catalyse hétérogène. Dans les différents exemples traités, leurs activités seront confrontées à celles de catalyseurs homogènes ou hétérogènes plus « traditionnels ». Dans certains cas, il sera démontré que les agents stabilisants ont un rôle inhibiteur, ces derniers devant alors être enlevés sans nuire à la qualité des nanoparticules, alors que dans d’autres situations, ils peuvent devenir des alliés et gouverner la sélectivité des processus catalytiques. Dans l’ultime partie du cours, l’accent sera mis sur l’intérêt de pouvoir disposer de nanoparticules de morphologies contrôlées exposant des surfaces métalliques bien précises pour étudier l’impact des arrangements des atomes de métaux en surface sur l’efficacité des processus catalytiques.

- une approche chimique de la photosynthèse artificielle. Cette intervention vise à illustrer, les pistes de recherches actuelles offertes par la chimie (supra)moléculaire dans le domaine de la conversion de l’énergie solaire en énergie chimique (photo-dissociation de l’eau notamment). Après une séance d’introduction orientée autour du contexte énergétique actuel et des énergies renouvelables, les séances suivantes constituent une initiation à la photochimie et aux techniques photophysiques. Les mécanismes régissant la relaxation des états excités seront ainsi abordés. Les systèmes moléculaires fonctionnels ainsi que les dispositifs photo-électro-catalytiques moléculaires seront enfin présentés. Le but de ce cours consiste à montrer comment réaliser un système photosynthétique artificiel via l’approche moléculaire et quels sont les verrous actuels à leur développement.

- l’activation de petites molécules par des complexes (poly)métalliques (O2, H2O, N2). Après une courte introduction présentant les ressorts de cette thématique dans les contextes contemporains de chimie durable et de conversion d’énergie, le cours se propose de montrer comment un site (poly)métallique module la réactivité de telles molécules, considérées inertes, par coordination. Le cours détaillera la nature des intermédiaires réactifs formés et tentera d’illustrer par des exemples de la littérature comment le développement des connaissances sur l’interaction métal/petites molécules peut permettre le développement de nouvelles voies catalytiques d’intérêt pour la synthèse à l’échelle du laboratoire et/ou de l’industrie.

L’UE comporte aussi un projet bibliographique : il s’agit d’analyser avec un esprit critique un ou plusieurs articles récents de la littérature illustrant l’un des quatre cours dispensés, de le replacer dans son contexte et de le restituer sous forme d’un document écrit concis de 2 à 3 pages.