Des chimistes du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont conçu un nouveau catalyseur qui accélère le rythme d'une étape clé de la « photosynthèse artificielle » - un effort pour imiter la façon dont les plantes, algues, et certaines bactéries exploitent la lumière du soleil pour convertir l'eau et le dioxyde de carbone en carburants riches en énergie. Cette étape, appelée oxydation de l'eau, libère des protons et des électrons des molécules d'eau, produire de l'oxygène comme sous-produit.

Ce catalyseur « à site unique », c'est-à-dire que toute la séquence de réaction se déroule sur un seul site catalytique d'une molécule, est le premier à égaler l'efficacité des sites catalytiques qui entraînent cette réaction dans la nature. La conception à site unique et le rendement élevé améliorent considérablement le potentiel de fabrication de dispositifs de conversion solaire-carburant efficaces.

"L'objectif final est de briser ces blocs de construction moléculaires - les protons et les électrons - pour fabriquer des carburants tels que l'hydrogène, " a déclaré David Shaffer, un associé de recherche de Brookhaven et auteur principal d'un article décrivant le travail dans le Journal de l'American Chemical Society . "Plus le cycle d'oxydation de l'eau est efficace, plus nous pouvons stocker d'énergie."

Mais briser les molécules d'eau n'est pas facile.

"L'eau est très stable, " a déclaré le chimiste de Brookhaven Javier Concepcion, qui a dirigé l'équipe de recherche. "L'eau peut subir de nombreux cycles d'ébullition/condensation et reste sous forme de H2O. Pour faire sortir les protons et les électrons, nous devons faire réagir les molécules d'eau entre elles."

Le catalyseur agit comme un manipulateur chimique, brassant autour des actifs des molécules d'eau - électrons, ions hydrogène (protons), et des atomes d'oxygène - pour que la réaction se produise.

La nouvelle conception du catalyseur s'appuie sur celle que le groupe a développée l'année dernière, dirigé par l'étudiant diplômé Yan Xie, qui était aussi un catalyseur à site unique, avec tous les composants nécessaires à la réaction sur une seule molécule. Cette approche est intéressante car les scientifiques peuvent optimiser la disposition des différentes parties afin que les molécules réactives s'assemblent de la bonne manière. De tels catalyseurs ne dépendent pas de la libre diffusion des molécules dans une solution pour réaliser des réactions, ils ont donc tendance à continuer à fonctionner même lorsqu'ils sont fixés à une surface, comme ils le seraient dans les appareils du monde réel.

"Nous avons utilisé la modélisation informatique pour étudier les réactions au niveau théorique pour nous aider à concevoir nos molécules, " a déclaré Concepcion. " A partir des calculs, nous avons une idée de ce qui fonctionnera ou non, ce qui nous fait gagner du temps avant d'entrer dans le laboratoire."

Dans la conception de Xie et la nouvelle amélioration, il y a un métal au cœur de la molécule, entouré d'autres composants que les scientifiques peuvent choisir pour conférer au catalyseur des propriétés particulières. La réaction commence par oxyder le métal, qui éloigne les électrons de l'oxygène sur une molécule d'eau. Cela laisse derrière lui un « chargé positivement, " ou " activé, " oxygène et deux hydrogènes chargés positivement (protons).

"Enlever des électrons rend les protons plus faciles à libérer. Mais vous avez besoin de ces protons pour aller quelque part. Et c'est plus efficace si vous retirez les électrons et les protons en même temps pour empêcher l'accumulation de charges excessives, " dit Concepcion. " Alors Xie a ajouté des groupes phosphonate comme ligands sur le métal pour agir comme une base qui accepterait ces protons, ", a-t-il expliqué. Ces groupes phosphonate ont également facilité l'oxydation du métal pour éliminer les électrons en premier lieu.

Mais il y avait encore un problème. Afin d'activer la molécule H2O, vous en avez d'abord besoin pour se lier à l'atome de métal au centre du catalyseur.

Dans la première conception, les groupes phosphonate étaient si fortement liés au métal qu'ils empêchaient la molécule d'eau de se lier au catalyseur suffisamment tôt pour que le processus se déroule sans heurts. Cela a ralenti le cycle catalytique.

L'équipe a donc fait un remplacement. Ils ont gardé un groupe phosphonate pour agir comme base, mais a remplacé l'autre par un carboxylate moins étroitement lié.

"Le groupe carboxylate peut plus facilement ajuster sa coordination au centre métallique pour permettre à la molécule d'eau d'entrer et de réagir à un stade plus précoce, ", a déclaré Shaffer.

« Quand nous essayons de concevoir de meilleurs catalyseurs, nous essayons d'abord de déterminer quelle est l'étape la plus lente. Ensuite, nous repensons le catalyseur pour accélérer cette étape, " dit-il. " Le travail de Yan a fait un pas plus rapide, et cela a fait que l'une des autres étapes a fini par être l'étape la plus lente. Donc, dans le travail actuel, nous avons accéléré cette deuxième étape tout en gardant la première rapide."

L'amélioration a transformé un catalyseur qui a créé deux ou trois molécules d'oxygène par seconde en un qui en produit plus de 100 par seconde, avec une augmentation correspondante de la production de protons et d'électrons qui peuvent être utilisés pour créer de l'hydrogène.

"C'est un taux qui est comparable au taux de cette réaction dans la photosynthèse naturelle, par site catalytique, " a déclaré Concepcion. " Le catalyseur naturel de la photosynthèse a quatre centres métalliques et le nôtre n'en a qu'un, " expliqua-t-il. " Mais le système naturel est très complexe avec des milliers et des milliers d'atomes. Il serait extrêmement difficile de reproduire quelque chose comme ça en laboratoire. Il s'agit d'une seule molécule et elle remplit la même fonction que ce système très complexe."

L'étape suivante consiste à tester le nouveau catalyseur dans des dispositifs incorporant des électrodes et d'autres composants pour convertir les protons et les électrons en carburant hydrogène, puis plus tard, avec des composés absorbant la lumière pour fournir de l'énergie pour conduire l'ensemble de la réaction.

« Nous avons maintenant des systèmes qui fonctionnent assez bien, donc nous sommes très optimistes, " a déclaré Concepción.