Molecular systems for photo-induced hydrogen production from water involving cobalt catalysts and a ruthénium photosensitizer or an organic dye

Systèmes moléculaires pour la production d'hydrogène photo-induite dans l'eau associant des catalyseurs de cobalt à un photosensibilisateur de ruthénium ou un colorant organique

Robin Gueret (1)

1 DCM - Département de Chimie Moléculaire

The work of this manuscript is focused on the design of molecular systems in homogeneous solution for photocatalytic production of molecular hydrogen in water using cobalt catalysts with pentadentate tetrapyridinic and tetra- and pentaza macrocyclic ligands. In association with [Ru(bpy)3]2+ as photosensitizer and sodium ascorbate as sacrificial electron donor, the macrocycle based catalysts display high performances for H2 production, far exceeding those of the polypyridine based catalysts, both in terms of activity and stability, because of the stability of their reduced state «Co(I)». Finally, [Ru(bpy)3]2+ was successfully substituted with a robust organic dye belonging to the triazatriangulenium family, leading to an even more efficient photocatalytic system. These results demonstrate well that organic dyes are a truly efficient alternative to noble metal based photosensitizers, even in acidic aqueous medium.

Les travaux de cette thèse sont centrés sur le développement de systèmes moléculaires en solution homogène pour la production photocatalytique de dihydrogène dans l'eau utilisant des catalyseurs de cobalt à ligands pentadentate tétrapyridinique ou tétra- et pentaaza macrocycliques. Associés au photosensibilisateur et à l’ascorbate comme donneur d’électron sacrificiel, les complexes à ligands macrocycliques présentent d’excellentes performances pour la production d’H2, bien supérieures à celles des complexes à ligands polypyridiniques en termes d’efficacité et de stabilité, en raison de la grande stabilité de leur état réduit «Co(I)». Enfin, [Ru(bpy)3]2+ a pu être substitué par un colorant organique très robuste du type triazatriangulénium conduisant à un système photocatalytique encore plus performant. Ces résultats démontrent que les colorants organiques sont une alternative viable aux photosensibilisateurs à base de métaux nobles, même en milieu aqueux acide.

Mots clés: Photocatalytic hydrogen production; NiO based photocathode; Noble-Metal-Free photosensitizers; Cobalt based molecular catalysts; Electrochemical and photophysical studies.

Mots clés: Production photocatalytique d’hydrogène; Photocathode à base de NiO; Photosensibilisateurs sans métaux nobles; Catalyseurs moléculaires à base de cobalt; Études électrochimiques et photophysiques

Domaines: Chimie inorganique; Biochimie, Biologie Moléculaire; Biochimie [q-bio.BM]

Robin Gueret. Systèmes moléculaires pour la production d'hydrogène photo-induite dans l'eau associant des catalyseurs de cobalt à un photosensibilisateur de ruthénium ou un colorant organique. Chimie inorganique. Université Grenoble Alpes, 2017. Français. ⟨NNT : 2017GREAV074⟩. ⟨tel-02394768⟩