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Cuivre et CO₂ : plongée au cœur d’une alliance clé pour un avenir décarboné clement.dupuis

Des chercheurs révèlent le rôle crucial du cuivre et ses mécanismes d’action dans les premières étapes de réduction du CO₂ en produits à haute valeur ajoutée. L’étude, qui combine radiolyse pulsée et simulations moléculaires, montre quelles espèces de catalyseur de cuivre sont les plus efficaces et pourquoi. Une étape clé vers la valorisation durable du CO2 et une économie circulaire du carbone. 

© Adobe Stock
Développement durable Résultats scientifiques

La réduction du dioxyde de carbone (CO₂), principal gaz à effet de serre, en composés utiles est un enjeu scientifique majeur. Le cuivre, notamment sous sa forme oxydée, est reconnu comme un catalyseur efficace pour transformer le CO₂ en produits à plusieurs atomes de carbone, tels que l’éthylène. Cependant, les mécanismes précis de cette transformation, en particulier les premières étapes impliquant des radicaux CO₂, restaient mal compris jusqu’à récemment.

Pour mieux décrypter ces mécanismes, une équipe de chimistes de l’Institut de chimie physique (CNRS/Université Paris Saclay) s’est associée à une équipe de l’Université de science et technologie de Chine. Ils ont utilisé une technique avancée d’irradiation : la radiolyse pulsée1 , qui permet d'observer les réactions chimiques à des échelles de temps extrêmement courtes. Ils ont ainsi étudié le comportement de différentes nanoparticules de cuivre dans des états d’oxydation variés : Cu(0), c’est-à-dire le métal pur, Cu(I) qui forme l’oxyde de cuivre Cu2O très réactif, et enfin Cu(II), forme la plus oxydée et la plus courante dans la nature.

Les résultats montrent que le cuivre Cu(I) joue un rôle déterminant en accélérant les réactions de couplage des radicaux anions de CO₂. Ce couplage initial est essentiel pour la poursuite du processus de réduction du COen produits carbonés à plus de deux atomes de carbone, comme l’éthanol ou l’éthylène. En revanche, le cuivre Cu(II) se réduit rapidement en Cu(I) sans participer directement aux réactions de couplage.

Les simulations moléculaires ont confirmé ces observations expérimentales. Elles ont révélé que les interactions entre le cuivre Cu(I) et les radicaux CO₂-° sont plus fortes et plus stables que celles impliquant Cu(II). Ces résultats permettent de mieux comprendre pourquoi le cuivre oxydé améliore les performances des catalyseurs. De plus, la présence d’oxydes en sous-surface semble jouer un rôle crucial dans la stabilisation des radicaux CO₂-° et dans l’initiation des réactions.

Ces travaux apportent un éclairage clé pour la conception de catalyseurs performants et économiquement viables pour la valorisation du CO2. Ceux-ci pourraient permettre une utilisation efficace du CO₂ comme ressource, favorisant ainsi des technologies neutres en carbone et contribuant à la lutte contre le changement climatique.

Rédacteur: AVR

  • 1La radiolyse pulsée est une technique expérimentale qui permet d étudier des réactions chimiques extrêmement rapides qui se produisent lorsque des molécules sont exposées à un rayonnement ionisant, comme des électrons à haute énergie ou des rayons gamma. Elle permet de suivre en temps réel les étapes initiales des réactions chimiques, notamment la formation et la transformation d intermédiaires réactifs tels que les radicaux libres.

Référence

Role of Oxide-Derived Cu on the Initial Elementary Reaction Intermediate During Catalytic CO2 Reduction
Zhiwen Jiang, Carine Clavaguéra, Sergey A. Denisov, Jun Ma & Mehran Mostafavi
Journal of the American Chemical Society 2024
https://doi.org/10.1021/jacs.4c08603

La radiolyse pulsée permet de suivre les toutes premières étapes de la réduction du CO2 catalysée par le cuivre et de mieux en comprendre les mécanismes d’action © Mehran Mostafavi
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S’inspirer du vivant pour détecter le cuivre dans l’organisme par IRM clement.dupuis

Un nouvel agent de contraste d’imagerie par résonnance magnétique a été mis au point par des chimistes du CNRS. Il offre une sensibilité et une sélectivité inédites pour détecter les cations de cuivre Cu(II). Cette avancée, publiée dans la revue Inorganic Chemistry, ouvre la voie au diagnostic très précoce de maladies graves comme Alzheimer ou la maladie de Wilson.

© Adobe Stock
Résultats scientifiques

Le cuivre est un oligo-élément essentiel, présent en faible quantité dans notre organisme. Régulé avec précision, il participe à des processus biologiques vitaux, comme la production d’énergie. Mais des variations anormales de sa concentration sont associées à de graves pathologies comme les maladies neurodégénératives (Alzheimer et Parkinson) ou encore la maladie de Wilson, une pathologie du foie. Imager les ions de cuivre Cu2+, notés Cu(II), par une méthode non invasive comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM) permettrait donc de proposer un diagnostic précoce de ces pathologies et pourrait aider à suivre l’effet des traitements. 

Il est possible de concevoir des sondes IRM « intelligentes », qui vont s’allumer en présence de Cu(II). La conception de telles sondes est cependant un vrai défi car le Cu(II) libre est présent en très faible quantité in vivo. Il est donc primordial de concevoir des sondes qui aient une réponse maximale en présence de Cu(II), mais surtout qui soient sélectives pour le Cu(II) vis-à-vis du Zn(II), un autre cation physiologique présent dans l’organisme en bien plus grande quantité. La plupart des sondes déjà développées, qui s’appuient sur de petits motifs qui complexent le cuivre, ne répondent pas à ce critère.

Dans ce contexte, des chimistes de l’Institut de chimie de Strasbourg (CNRS/Université de Strasbourg) et du Centre de biophysique moléculaire (CNRS) ont adopté une approche bioinspirée pour concevoir un nouvel agent de contraste IRM capable de détecter spécifiquement les ions Cu(II). Leur sonde est composée d’une partie active en IRM, et d’une partie de reconnaissance du Cu(II) basée sur le motif ATCUN, un petit peptide qui complexe le cuivre dans l’organisme. Grâce à ce design original, la sonde présente une réponse inégalée en présence de Cu(II), et surtout une excellente sélectivité pour le cuivre vis-à-vis du zinc. Des images IRM réalisées en laboratoire sur des échantillons proches de l’environnement physiologique montrent un contraste clair, illustrant le potentiel de cet outil.

Cette avancée, publiée dans la revue Inorganic Chemistry et qui a reçu l’ACS editors’ choice, pourrait transformer la détection précoce de maladies liées au cuivre, permettant des diagnostics plus rapides et des interventions ciblées. L’approche bioinspirée utilisée ici pourrait également servir de modèle pour développer de nouveaux agents capables de détecter d’autres biomarqueurs cruciaux pour la santé humaine. L’IRM, déjà un pilier du diagnostic médical, franchit ici nouvelle étape vers des applications encore plus précises et personnalisées.

Rédacteur : AVR

Référence

A Bioinspired Cu2+-Responsive Magnetic Resonance Imaging Contrast Agent with Unprecedented Turn-On Response and Selectivity
Katharina Zimmeter, Agnès Pallier, Bertrand Vileno, Martina Sanadar, Frédéric Szeremeta, Carlos Platas-Iglesias, Peter Faller, Célia S. Bonnet, Angélique Sour
Inorganic Chemistry 2024
https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.4c03631

Un agent de contraste bioinspiré permet de sélectivement révéler la présence de cuivre dans l’organisme par IRM © Célia Bonnet
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