L'oxygène est le plus grand ennemi des biocatalyseurs pour la conversion d'énergie. Un film protecteur les protège, mais uniquement avec un ingrédient supplémentaire :le sel d'iodure.

Contrairement aux prédictions théoriques, l'oxygène inactive les biocatalyseurs pour la conversion d'énergie en peu de temps, même sous un film protecteur. Une équipe de recherche du pôle d'excellence Resolv de la Ruhr Universität Bochum (RUB) a découvert pourquoi :du peroxyde d'hydrogène se forme sur le film protecteur. L'ajout de sels d'iodure à l'électrolyte peut empêcher cela et prolonger considérablement la durée de vie des catalyseurs. L'équipe autour du Professeur Nicolas Plumeré de Resolv, Le Dr Erik Freier du Leibniz Institute for Analytical Sciences Dortmund et le professeur Wolfgang Lubitz du Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion à Mülheim rapportent ses conclusions dans Communication Nature .

Désactivé en quelques secondes

Les catalyseurs biologiques et bio-inspirés sont disponibles en abondance et leurs performances catalytiques sont proches de celles des catalyseurs en métaux précieux. Néanmoins, ils ne sont pas largement utilisés pour les procédés de conversion d'énergie. La raison en est leur instabilité. "Certains des catalyseurs de conversion de petites molécules les plus actifs pertinents pour les systèmes énergétiques durables sont si sensibles à l'oxygène qu'ils sont complètement désactivés en quelques secondes lorsqu'ils entrent en contact avec lui, " explique Nicolas Plumeré.

Le groupe de recherche a récemment découvert que les films redox-actifs peuvent protéger les bio-inspirés et même les biocatalyseurs tels que les hydrogénases contre cela. Les modèles théoriques prédisent que la protection contre l'oxygène devrait durer indéfiniment. Dans les expériences, cependant, cette protection n'a jusqu'à présent été efficace que pendant quelques heures. "Cela contredit nos calculs théoriques et ne s'explique pas, même compte tenu de la durée de vie du même catalyseur dans un environnement sans oxygène, " précise Plumeré. Ce dernier est jusqu'à six semaines avec un roulement constant.

Une combinaison de méthodes explore le problème

Cela a conduit les chercheurs à conclure que soit le mécanisme de protection contre l'oxygène n'est pas encore compris, ou qu'en dehors de la désactivation par l'oxygène, des processus nocifs supplémentaires ont lieu. Pour enquêter sur cela, ils ont combiné diverses méthodes qui leur ont permis d'examiner en détail ce qui se passe dans la couche protégée. La combinaison de la microscopie confocale à fluorescence et de la diffusion cohérente anti-Stokes Raman réalisée au laboratoire par Erik Freier, avec électrochimie pour l'analyse de la matrice protectrice a montré :Le processus de protection conduit à une accumulation de peroxyde d'hydrogène, ce qui favorise l'endommagement du film catalytique.

Les chercheurs montrent que la décomposition du peroxyde d'hydrogène avec des sels d'iodure augmente la demi-vie d'une hydrogénase pour l'oxydation de l'hydrogène jusqu'à une semaine à renouvellement constant, même avec une exposition constante à des concentrations élevées d'oxygène. "Globalement, nos données confirment la théorie selon laquelle les films redox rendent les catalyseurs sensibles à l'oxygène complètement immunisés contre la désactivation directe par l'oxygène, " conclut Plumeré. " Cependant, il est très important de supprimer également la production de peroxyde d'hydrogène afin d'obtenir une protection complète contre le stress oxydatif."

"Nos travaux montrent que la simple stratégie d'ajout de sels d'iodure à l'électrolyte peut être suffisante pour réduire significativement les taux d'inactivation des biocatalyseurs, " disent les chercheurs. Ils pensent que cela permettra la mise en œuvre généralisée d'autres procédés électrocatalytiques dans des applications réelles. Cela inclut également des procédés de conversion d'énergie tels que la génération de combustible solaire par réduction du dioxyde de carbone et l'électrosynthèse de produits chimiques fins ou basiques tels que l'ammoniac.