La façon dont un composé inspiré de la nature produit de l'hydrogène a maintenant été décrite en détail pour la première fois par une équipe de recherche internationale de l'Université d'Iéna, l'Allemagne et l'Université de Milan-Bicocca, Italie. Ces résultats sont à la base de la production d'hydrogène à haut rendement énergétique en tant que source d'énergie durable.

La nature comme modèle

Il existe des micro-organismes naturels qui produisent de l'hydrogène, en utilisant des enzymes spéciales appelées hydrogénases. "La particularité des hydrogénases, c'est qu'elles génèrent de l'hydrogène par catalyse. Contrairement à l'électrolyse, qui est généralement réalisée industriellement à l'aide d'un catalyseur au platine coûteux, les microorganismes utilisent des composés organométalliques du fer, " explique le professeur Wolfgang Weigand de l'Institut de chimie inorganique et analytique de l'Université d'Iéna en Allemagne. " En tant que source d'énergie, l'hydrogène est naturellement d'un grand intérêt. C'est pourquoi nous voulons comprendre exactement comment se déroule ce processus catalytique, " il ajoute.

Autrefois, de nombreux composés ont déjà été produits dans le monde qui sont chimiquement modelés sur les hydrogénases naturelles. En collaboration avec l'université de Milan, Weigand et son équipe à Iéna ont maintenant produit un composé qui a donné des informations entièrement nouvelles sur le processus de catalyse.

« Comme dans la nature, notre modèle est basé sur une molécule qui contient deux atomes de fer. Par rapport à la forme naturelle, cependant, nous avons modifié l'environnement chimique du fer d'une manière spécifique. Pour être précis, une amine a été remplacée par un oxyde de phosphine aux propriétés chimiques similaires. Nous avons donc mis en jeu l'élément phosphore."

Aperçu détaillé de la production d'hydrogène électrocatalytique

Cela a permis à Weigand et à son équipe de mieux comprendre le processus de formation de l'hydrogène. L'eau est composée de protons chargés positivement et d'ions hydroxyde chargés négativement.

"Notre objectif était de comprendre comment ces protons forment l'hydrogène. Cependant, le donneur de protons dans nos expériences n'était pas l'eau, mais un acide, " dit Weigand. "Nous avons observé que le proton de l'acide est transféré à l'oxyde de phosphine de notre composé suivi d'une libération de proton à l'un des atomes de fer. Un processus similaire se retrouverait également dans la variante naturelle de la molécule, " ajoute-t-il. Afin d'équilibrer la charge positive du proton et finalement produire de l'hydrogène, des électrons chargés négativement ont été introduits sous forme de courant électrique. A l'aide d'un logiciel de voltampérométrie cyclique et de simulation développé à l'Université d'Iéna, les étapes individuelles au cours desquelles ces protons ont finalement été réduits en hydrogène libre ont été examinées.

« Au cours de l'expérience, nous pouvions réellement voir comment l'hydrogène gazeux s'élevait de la solution dans de petites bulles, " note Weigand. " Les données de mesures expérimentales de la voltamétrie cyclique et les résultats de simulation ont ensuite été utilisés par l'équipe de recherche de Milan pour des calculs de chimie quantique, " ajoute Weigand. " Cela nous a permis de proposer un mécanisme plausible sur la façon dont l'ensemble de la réaction se déroule chimiquement pour produire l'hydrogène - et ce pour chaque étape individuelle de la réaction. Cela n'a jamais été fait auparavant avec ce niveau de précision." Le groupe a publié les résultats et la voie de réaction proposée dans la célèbre revue " Catalyse ACS ".

L'objectif :L'hydrogène grâce à l'énergie solaire

Fort de ces constatations, Weigand et son équipe souhaitent désormais développer de nouveaux composés capables non seulement de produire de l'hydrogène de manière économe en énergie, mais aussi utiliser des sources d'énergie durables pour ce faire.

"L'objectif du Transregio Collaborative Research Center 234 'CataLight', dont cette recherche fait partie, est la production d'hydrogène en divisant l'eau avec l'utilisation de la lumière du soleil, " explique Weigand. " Grâce aux connaissances acquises lors de nos recherches, nous travaillons maintenant à la conception et à l'étude de nouveaux catalyseurs à base d'hydrogénases, qui sont finalement activés à l'aide de l'énergie lumineuse."