Source naturelle d’inspiration

Créer des structures végétales artificielles pour produire de l’énergie ? Peut-être pas. Mais s’inspirer de la nature pour mettre au point un système optimisé de production  d’hydrogène, ça oui !Quel carburant pour demain ? Voilà une question d’actualité bien complexe. Parmi les candidats : l’hydrogène (H2). Cette molécule permet, par combustion, de libérer de l’énergie sans dégager autre chose que de l’eau. Le problème ? Sa production. L’H2 est peu présent naturellement sur notre planète, et il faut le produire par décomposition de l’eau. Reste à déterminer comment en produire de façon efficace, propre, et énergétiquement peu coûteuse. Les réponses peuvent se trouver dans la nature elle-même, car nous connaissons un processus capable de réaliser des réactions chimiques comparables en utilisant l’énergie de la lumière : la photosynthèse.

La photosynthèse artificielle
À partir de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau (H2O), les plantes produisent des sucres – réserve énergétique – et rejettent de l’oxygène (O2). La caractérisation des molécules utilisées par le système photosynthétique permettra de créer en laboratoire un système artificiel utilisant des molécules aux activités similaires. C’est ce qu’on appelle une approche bio-inspirée. Au sein des cellules végétales, la photosynthèse est assurée par différents complexes qui permettent d’extraire protons et électrons de la molécule d’eau. Une cellule photosynthétique artificielle permettant de décomposer l’eau pour produire de l’H2 sera, de la même manière, constituée d’un module photo-actif et d’un module catalytique. Le tout relié à l’électrode par un module d’ancrage.

Des dispositifs modulaires
Aujourd’hui, l’enjeu est double. Il s’agit d’une part, de mettre au point ces modules et d’autre part, de les assembler de façon efficace et facile afin de permettre la réaction. Ce qui implique une bonne communication électronique entre eux. Le premier point est aujourd’hui partiellement atteint, différents modules étant créés. Le module photo-actif est un complexe de ruthénium-trisbipyridine qui, sous l’effet de l’irradiation lumineuse, éjecte un électron du métal (Ru) vers l’un de ses ligands (bipyridines). Cet état excité peut transférer un électron vers un accepteur extérieur au complexe, ainsi qu’en accepter (étape nécessaire afin de pouvoir régénérer un module fonctionnel). Pour le deuxième point, on a recours à la « chimie click ». Ce procédé repose sur la création d’un lien entre deux structures chimiques, par une réaction simple mettant toujours en place le même connecteur. Ce dernier, le triazole, est à l’étude. Très stable thermiquement et chimiquement, il résiste aux conditions d’oxydation et de réduction qui seraient mises en jeu lors de la photosynthèse artificielle. Par réaction chimique, le triazole est créé entre les
différents modules préformés, comme on « clique » des pièces de lego. Les premiers résultats montrent que le triazole est un canal à électrons efficace, permettant leur passage dans les deux sens. Si à ce jour la production d’H2 par ce système n’a pas encore pu être testée, la création de cellules photosynthétiques artificielles est en cours. Grâce à cette technique de production, l’H2 se présente en bonne place comme vecteur
d’énergie propre pour le futur.

CONTACT
Boris Vauzeilles, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay (ICMMO), boris.vauzeilles@icmmo.u-psud.fr