Imiter la photosynthèse chez les plantes, utiliser la lumière pour convertir des molécules stables et abondantes comme l'eau et le CO2 en un carburant à haute énergie (hydrogène) ou en produits chimiques d'intérêt industriel, est aujourd'hui un enjeu de recherche majeur. Cependant, la réalisation de la photosynthèse artificielle en solution reste limitée par l'utilisation de composés métalliques coûteux et toxiques pour récolter la lumière. Chercheurs au CNRS, Le CEA et l'Université Grenoble Alpes proposent une alternative efficace utilisant des nanocristaux semi-conducteurs (appelés aussi points quantiques) à base d'éléments moins chers et moins toxiques, comme le cuivre, l'indium et le soufre. Leurs travaux ont été publiés dans Sciences de l'énergie et de l'environnement le 10 avril 2018.

Dans les systèmes de photosynthèse artificielle chromophores, ou "photosensibilisateurs", absorber l'énergie lumineuse et transférer des électrons au catalyseur, qui active la réaction chimique. Bien que de nombreux progrès aient été réalisés ces dernières années dans le développement de catalyseurs dépourvus de métaux nobles, les photosensibilisateurs comptent toujours, en général, sur des composés moléculaires contenant des métaux rares et coûteux, comme le ruthénium et l'iridium, ou sur des matériaux semi-conducteurs inorganiques contenant du cadmium, un métal toxique.

Pour la première fois, des chercheurs du Département de Chimie Moléculaire (CNRS/Université Grenoble Alpes) et du SyMMES (CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes)1 ont démontré, en joignant leur expertise en ingénierie des semi-conducteurs et en photocatalyse, qu'il est possible de produire de l'hydrogène de manière très efficace en combinant des nanocristaux semi-conducteurs inorganiques (points quantiques) formés d'un coeur en sulfure de cuivre et d'indium protégé par une enveloppe en sulfure de zinc, avec un catalyseur moléculaire à base de cobalt. Ce système "hybride" combine les excellentes propriétés d'absorption de la lumière visible et la grande stabilité des semi-conducteurs inorganiques avec l'efficacité des catalyseurs moléculaires. En présence d'un excès de vitamine C, qui fournit des électrons au système, il montre une activité catalytique remarquable dans l'eau, le meilleur obtenu à ce jour avec des points quantiques sans cadmium. Les performances de ce système sont bien supérieures à celles obtenues avec un photosensibilisateur à base de ruthénium, en raison de la très grande stabilité des points quantiques inorganiques, qui peut être recyclé plusieurs fois sans perte notable d'activité.

Ces résultats montrent le potentiel élevé de tels systèmes hybrides pour la production d'hydrogène à l'aide de l'énergie solaire.