Navigation – Plan du site
Actualité
Actualité des chaires

Chimie bio-inspirée et nanosciences: vers de nouveaux catalyseurs pour la production et l’oxydation de l’hydrogène

Marc Fontecave et Vincent Artero
p. 14

Entrées d’index

Mots-clés :

chimie
Haut de page

Texte intégral

Pr Marc FontecaveAfficher l’image
Crédits : © Collège de France

1Il ne fait pas de doute que la source d’énergie renouvelable la plus abondante, très largement supérieure aux contributions potentielles de l’énergie éolienne, géothermique ou hydroélectrique par exemple, est l’énergie solaire. Une façon d’exploiter cette énergie est de la transformer en énergie chimique, de la stocker sous la forme d’un carburant, par exemple l’hydrogène. Ce dernier est, on le sait, une alternative prometteuse à l’utilisation du pétrole, à la fois en raison de la grande quantité d’énergie qu’il restitue lors de son oxydation (piles à combustibles) et du fait que le seul sous-produit de cette oxydation est l’eau.

2La conversion de l’énergie solaire en carburant est en fait admirablement réalisée par le monde vivant qui utilise en permanence le soleil pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone en molécules à haute valeur énergétique que l’on retrouve dans la biomasse. Certains organismes vivants ont même la capacité de réaliser une simple photolyse de l’eau  : ils utilisent l’énergie solaire pour transformer l’eau en oxygène et en hydrogène, un véritable tour de force quand on sait que l’eau n’absorbe pas les photons du soleil et que les processus mis en jeu dans cette photolyse sont des processus multiélectroniques très complexes. Pour ce faire, ces microorganismes ont élaboré des systèmes enzymatiques incroyablement sophistiqués et efficaces pour collecter les photons, traduire cette absorption de lumière en énergie chimique et pour catalyser les réactions de transfert d’électrons. Ce qui est remarquable c’est que ces systèmes ont réussi à n’utiliser que des métaux très abondants alors que les dispositifs d’électrolyseurs ou de piles les plus efficaces mis au point par les chimistes et utilisés aujourd’hui nécessitent des métaux nobles comme le platine, très chers parce que peu abondants dans la croute terrestre (abondance terrestre du platine de l’ordre de 5ppm, équivalente à celle de l’or). On oublie souvent de dire qu’il n’y a pas de futur pour une économie à hydrogène si on ne résout pas ces problèmes de catalyseurs. Par exemple, pour la réduction de l’eau en hydrogène ou pour la réaction inverse, les hydrogénases utilisent du nickel ou du fer. Ces enzymes constituent donc une source d’inspiration fascinante pour le chimiste qui rêve de « copier » le vivant et d’inventer de nouveaux catalyseurs reproduisant certaines propriétés structurales et fonctionnelles remarquables des sites actifs des enzymes. On parle de chimie bio-inspirée. C’est cette approche qui a été mise en œuvre avec succès au Laboratoire de chimie et biologie des métaux (CEA-CNRS-Université J. Fourier, au CEA de Grenoble), en collaboration avec une équipe du Laboratoire de chimie des surfaces et interfaces (CEA de Saclay) et une équipe du Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (CEA de Grenoble). En combinant nanosciences et chimie bio-inspirée, nous avons pu élaborer, pour la première fois, un matériau capable, dans des dispositifs électrochimiques, de catalyser, comme le fait le platine, aussi bien la production d’hydrogène à partir de l’eau (pour une utilisation dans les électrolyseurs) que son oxydation (pour une utilisation dans les piles à combustible). Ce matériau original est constitué d’un petit complexe de nickel, qui reproduit certaines caractéristiques des hydrogénases, greffé sur des nanotubes de carbone choisis pour leur importante surface potentielle de liaison du catalyseur et pour leur grande conductivité électrique. Déposé sur une électrode, il se révèle extrêmement stable et capable de fonctionner, sans surtension, en milieu très acide ce qui lui permet d’être compatible avec les membranes échangeuses de protons (comme le Nafion), utilisées de manière quasi-universelle dans les piles à combustible. Même si les densités de courant électrique obtenues sont encore faibles, la mise en œuvre de ce nouveau matériau pourrait lever un verrou scientifique majeur pour le développement à grande échelle de l’économie à hydrogène.

Au centre un complexe à base de nickel, greffé sur un nanotube de carbone, reproduit certaines des caractéristiques des hydrogénases à Ni-Fe (gauche) et à Fe-Fe (droite) et catalyse l’inter-conversion proton-hydrogène comme le platine.

Haut de page

Bibliographie

Alan Le Goff, Vincent Artero, Bruno Jousselme, Phong Dinh Tran, Nicolas Guillet, Romain Métayé R., Aziz Fihri, Serge Palacin et Marc Fontecave, « From hydrogenases to noblemetal-free catalytic nanomaterial for H2 production and uptake » (2009), Science, décembre 2009, vol. 326, p. 1384-1387, DOI : 10.1126/science.1179773

Haut de page

Document annexe

Haut de page

Table des illustrations

Légende Au centre un complexe à base de nickel, greffé sur un nanotube de carbone, reproduit certaines des caractéristiques des hydrogénases à Ni-Fe (gauche) et à Fe-Fe (droite) et catalyse l’inter-conversion proton-hydrogène comme le platine.
URL http://lettre-cdf.revues.org/docannexe/image/1042/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 37k
Haut de page

Pour citer cet article

Référence papier

La Lettre du Collège de France no 28, Paris, Collège de France, avril 2010, p. 14, ISSN 1628-2329.

Référence électronique

Marc Fontecave et Vincent Artero, « Chimie bio-inspirée et nanosciences: vers de nouveaux catalyseurs pour la production et l’oxydation de l’hydrogène », La lettre du Collège de France [En ligne], 28 | avril 2010, mis en ligne le 10 mai 2011, consulté le 25 novembre 2017. URL : http://lettre-cdf.revues.org/1042

Haut de page

Auteurs

Marc Fontecave

Professeur au Collège de France, chaire Chimie des processus biologiques

Articles du même auteur

Vincent Artero

Haut de page

Droits d’auteur

© Collège de France

Haut de page