La conversion de l’énergie lumineuse et de petites molécules abondantes telles que l'eau et le dioxyde de carbone en carburants et en produits chimiques de base est essentielle pour relever le défi de la transition écologique et pour la mise en place d’un système énergétique décarboné. Cependant, le développement de technologies de rupture pour la conversion directe de l’énergie solaire en carburants est actuellement freiné par d'importantes limitations; ces limitations comprennent notamment la nécessité de réduire la quantité de matières premières et de remplacer les métaux nobles par des éléments plus abondants afin de garantir la durabilité et la viabilité économique des procédés. Il apparait également crucial d’améliorer la collecte de la lumière et la gestion des charges dans ces systèmes pour augmenter leurs rendements de conversion.
Dans ce contexte, SYNFLUXLUMICALS vise à développer des stratégies innovantes pour collecter et utiliser plus efficacement la lumière dans les dispositifs de production de carburant solaires. Il est basé sur une approche inspirée de la nature visant à comprendre, contrôler et synchroniser les aspects spatiaux et temporels allant de l'absorption des photons à la création, au transport, et à l'utilisation des charges à travers des interfaces hybrides. Il s'appuie sur les progrès réalisés dans le domaine du photovoltaïque et de la catalyse multi-électronique pour promouvoir l'émergence et la montée en puissance de dispositifs photocatalytiques (PC) et photoélectrocatalytiques (PEC) sensibilisées par des colorants et basés exclusivement sur des éléments abondants.
Plus précisément, des dispositifs seront conçus et développés pour maximiser l'efficacité de collecte de la lumière visible grâce à différentes combinaisons de chromophores présentant des absorptions complémentaires (effet d'antenne, co-sensibilisation, schéma en Z) incorporés dans diverses plateformes (molécule, biologique, inorganique). Les charges photogénérées seront ensuite plus efficacement utilisées pour la catalyse multi-électronique (réduction des protons en H2, ou réduction du CO2 en CO/HCOOH) grâce à l'introduction de sites de stockage de charges spécifiques, et à la concentration du substrat dans le milieu réactionnel. L'évaluation comparative de l'activité des différentes architectures permettra de sélectionner les plus performantes à intégrer dans un dispositif complet. Des avancées significatives seront notamment réalisées grâce à :
- des stratégies innovantes d’ingénierie de surface pour contrôler finement l’organisation et la compartimentation des différents composants (chromophores, réservoirs d'électrons, catalyseurs) au niveau de multiples interfaces hybrides,
- l’utilisation d’un large éventail de techniques de caractérisation de pointe, certaines en conditions operando, afin d’étudier la dynamique des transferts d'énergie et/ou d'électrons photo-induits dans ces assemblages, et d’identifier les processus de désactivation limitant les performances et la stabilité.
Cette approche globale sera mise en œuvre par un consortium de 19 partenaires, réunissant les plus grands experts français dans les domaines de la catalyse bio-inspirée, de la photosynthèse artificielle et du photovoltaïque, avec des compétences en chimie moléculaire, science des matériaux, photo-électrochimie, catalyse, modélisation, ainsi qu’en caractérisations spectroscopiques avancées. Répondre aux questions fondamentales concernant la gestion de la lumière et des charges aux interfaces d’électrodes, ainsi que lever les verrous bloquant le développement de dispositifs durables et peu coûteux sont les attendus de ce projet, étape essentielle avant le développement des dispositifs de démonstration à plus grande échelle. Enfin, SYNFLUXLUMICALS contribuera à former de jeunes chercheurs dans un domaine à fort impact sociétal, et à promouvoir la contribution de la communauté scientifique française pour une société climatiquement neutre.

Philipp GOTICO

Porteur du projet

Partner 1: Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) - Coordinator

T1: JOLIOT-LMB (Laboratoire des Mécanismes fondamentaux de la Bioénergétique)

Key expertise: Photophysics, photoelectrocatalysis, dynamic catalysis

People Involved: P. Gotico (PM, TL, TR), P. Muller, A. Quaranta, W. Leibl

T2: JOLIOT-LBMS (Laboratoire Bioénergétique, Métalloprotéines et Stress)

Key expertise: Ultrafast photophysics, multiple exciton generation

People Involved: M. Llansola-Portoles (TL, TR), A. Pascal, B. Robert

T3: IRAMIS (Institut Rayonnement-Matière de Saclay)

Key expertise: preparation and functionalization of imogolite nanotubes

People Involved: S. Le Caer (TL, TR), A. Thill, P. Picot

T4: LCBM1 (Laboratoire Chimie et Biologie des Métaux)

Key expertise: bioinspired multielectronic catalysis, photoelectrochemical processes, solar fuels

People Involved: M. Chavarot-Kerlidou (DPM, WPL, TL, TR), B. Reuillard, J. Fize, V. Artero,

T5: LCBM2 (Laboratoire Chimie et Biologie des Métaux)

Key expertise: amyloid fibers, photocatalysis

People Involved: M. Koepf (TL), V. Forge

T6: SYMMES (Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Énergie et la Santé)

Key expertise: organic dyes for solar energy conversion

People Involved: R. Demadrille (TL, TR), C. Aumaitre, Y. Kervella

Partner 2: Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

T7: LASIRE (Laboratoire de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement)

Key expertise: Ultrafast spectroscopy of porous materials

People Involved: V. De Waele (WPL), T. Roland (TR), A. Moissette, M. Hureau, J. Dubois

T8: UCCS (Unité de Catalyse et Chimie du Solide)

Key expertise: Heterogeneous photo/thermo-catalysis

People Involved: A. Khodakov (TL, TR), V. Ordomsky

T9: IRCELYON (Institut de Recherches sur la Catalyse et l’environnement)

Key expertise: MOF/COF-based materials, spectroscopy

People Involved: M. Prévot (WPL, TL, TR), J. Canivet, E. Quadrelli, L. Piccolo

T10: INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon)

Key expertise: Semiconductor engineering

People Involved: J. Penuelas (TL, TR), R. Bachelet, G. Saint-Girons, C. Furgeaud, A. Lamirand, P. Regreny

T11: CEISAM (Chimie et Interdisciplinarité Synthèse, Analyse, Modélisation))

Key expertise: Organic dyes with tailored photophysical properties, photoelectrocatalysis

People Involved: F. Odobel (WPL, TL, TR), Y. Pellegrin, S. Diring, S. Pascal

T12: IPVF (Institut Photovoltaïque d'Île-de-France)

Key expertise: ALD deposition and characterization of oxide-based thin film materials

People Involved: N. Schneider (TL, TR), N. Naghavi, D. Coutancier

T13: LPICM (Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces)

Key expertise: Si-based semiconductor nanowires

People Involved: P. Roca i Cabarrocas (TR), P. Boulkine

T14: ISMO (Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay)

Key expertise: Pump-pump-probe transient absorption and time-resolved Raman spectroscopy

People Involved: M.-H. Ha-Thi (WPL, TR), T. Pino, K. Steenkeste, C. Lefumeux

T15: IPCMS (Institut de physique et chimie des Matériaux de Strasbourg)

Key expertise: Ultrafast spectroscopy (fs transient absorption and fluorescence techniques)

People Involved: S. Haacke (TR), H. Althubyani, A. Marquette

Partner 3: Université Paris Saclay (UPS)

T16: ICMMO (Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay)

Key expertise: Molecular homogeneous catalysis, electrocatalysis, spectroelectrochemistry

People Involved: Z. Halime (WPL, TL, TR), M. Sircoglou, A. Aukauloo

Partner 4: Ecole Normale Supérieure de Lyon (ENSL)

T17: LCH (Laboratoire de Chimie)

Key expertise: ionic liquids, theoretical chemistry

People Involved: T. Le Bahers (WPL, TL, TR), S. Steinmann, M. Costa-Gomes, A. Padua

Partner 5: Synchrotron SOLEIL

T18: Sustainable Energy

Key expertise: synchrotron-based characterization techniques, in situ and operando analysis

People Involved: B. Lassalle (TR), J.-B. Brubach, E. Fonda.

Partner 6: Sorbonne Université (SU)

T19: IPCM (Institut Parisien de Chimie Moléculaire)

Key expertise: POM-based hybrid assemblies for solar energy conversion

People Involved: G. Izzet (TL, TR), A. Proust, S. Blanchard, F. Volatron