Des scientifiques de l'Université de Kyushu et de l'Université de Kumamoto au Japon ont développé un nouveau catalyseur capable d'assister trois réactions clés pour l'utilisation de l'hydrogène dans l'énergie et l'industrie. Inspiré par trois types d'enzymes dans la nature, cette recherche peut aider à élucider les relations inconnues entre les catalyseurs, ouvrant la voie à une utilisation efficace de l'hydrogène gazeux comme source d'énergie de nouvelle génération à l'avenir.

Produire uniquement de l'eau lorsqu'elle est utilisée dans une pile à combustible pour produire de l'électricité, l'hydrogène est très prometteur en tant que source d'énergie propre pour relever les défis environnementaux rencontrés dans le monde entier. L'une des clés pour faire de l'hydrogène une source d'énergie de nouvelle génération est le développement de catalyseurs - des produits chimiques qui aident et accélèrent les réactions sans être consommés dans le processus - qui aident à l'utiliser efficacement.

Les catalyseurs jouent un rôle non seulement dans la division des molécules d'hydrogène pour générer de l'électricité dans les piles à combustible, mais également dans la mise en place d'atomes d'hydrogène pour former le carburant. L'hydrogène a également de nombreuses applications dans l'industrie chimique, étant souvent attachés aux molécules par le processus d'hydrogénation pour modifier leurs propriétés.

La nature a déjà développé son propre ensemble de catalyseurs biologiques, connu sous le nom d'enzymes, capable de ces mêmes réactions fondamentales. Cependant, chacune de ces trois réactions nécessite un type d'enzyme différent, et ces enzymes hydrogénases peuvent être regroupées par les métaux qu'elles contiennent :un atome chacun de nickel et de fer, deux atomes de fer, ou un seul atome de fer.

En s'inspirant de la nature, des équipes de recherche dirigées par Seiji Ogo de l'Université de Kyushu et Shinya Hayami de l'Université de Kumamoto rapportent maintenant dans le journal Avancées scientifiques qu'un seul catalyseur peut remplir les trois rôles.

"En examinant de près les structures clés des trois types d'enzymes hydrogénases dans la nature, nous avons pu concevoir une molécule qui pourrait imiter toutes ces structures en fonction de l'endroit où l'hydrogène s'y attache, " dit Ogo, professeur du département de chimie et de biochimie de l'université de Kyushu.

Le catalyseur développé par les scientifiques contient du nickel et du fer comme métaux clés. Selon les conditions de réaction, les atomes d'hydrogène se connecteront à la molécule d'une manière légèrement différente, conduisant à une torsion de la molécule qui la met dans une configuration la mieux adaptée à l'un des trois types de réactions.

Alors que les enzymes dans la nature reposent sur différents ensembles de métaux pour accomplir ces réactions, le catalyseur nouvellement développé tire parti du fait que la torsion moléculaire est suffisante pour basculer entre des structures similaires à celles des trois types d'enzymes, obtenant ainsi des fonctions similaires sans changer les métaux.

"Dans un sens, nous avons créé une molécule avec un volant dessus, " explique Ogo. " En tournant le volant et en tordant des parties de la molécule, nous pouvons le transformer en trois types de catalyseurs différents :un pour les piles à combustible, un pour la production d'hydrogène, et un autre pour l'hydrogénation."

Ogo ajoute, "Cela nous a permis de démêler trois fonctions qui étaient auparavant entrelacées."

Bien que la molécule puisse ne pas convenir à des applications pratiques à l'heure actuelle, il pointe vers la possibilité de développer un seul catalyseur à usages multiples. Plus important, la meilleure compréhension des processus catalytiques offerts par cette molécule peut donner un aperçu crucial des enzymes naturelles et du développement de futurs catalyseurs pour la réalisation d'une société alimentée par l'hydrogène.