L'humanité est confrontée à un défi central :elle doit gérer la transition vers une économie énergétique durable et neutre en dioxyde de carbone.

L'hydrogène est considéré comme une alternative prometteuse aux combustibles fossiles. Il peut être produit à partir d'eau en utilisant de l'électricité. Si l'électricité provient de sources renouvelables, on parle alors d'hydrogène vert. Mais ce serait encore plus durable si l'hydrogène pouvait être produit directement avec l'énergie du soleil.

Dans la nature, la division de l'eau par la lumière a lieu pendant la photosynthèse chez les plantes. Les plantes utilisent pour cela un appareil moléculaire complexe, le soi-disant photosystème II. Imiter son centre actif est une stratégie prometteuse pour réaliser la production durable d'hydrogène. Une équipe dirigée par le professeur Frank Würthner de l'Institut de chimie organique et du Centre de chimie des nanosystèmes de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) y travaille.

La séparation de l'eau n'est pas triviale

Eau (H₂ O) est composé d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. La première étape de séparation de l'eau est un défi :pour libérer l'hydrogène, l'oxygène doit être retiré de deux molécules d'eau. Pour ce faire, il faut d'abord retirer quatre électrons et quatre protons des deux molécules d'eau.

Cette réaction oxydative n'est pas anodine. Les plantes utilisent une structure complexe pour catalyser ce processus, constituée d'un amas de quatre atomes de manganèse sur lequel les électrons peuvent se propager. L'équipe de Würthner a développé une solution similaire dans le cadre de sa première percée publiée dans les revues Nature Chemistry et Sciences de l'énergie et de l'environnement en 2016 et 2017, une sorte "d'enzyme artificielle" capable de gérer la première étape de séparation de l'eau. Ce catalyseur d'oxydation de l'eau, composé de trois centres de ruthénium interagissant dans une architecture macrocyclique, catalyse avec succès le processus thermodynamiquement exigeant d'oxydation de l'eau.

Succès avec une poche artificielle

Maintenant, les chimistes de JMU ont réussi à faire en sorte que la réaction sophistiquée se déroule efficacement sur un seul centre de ruthénium. Dans le processus, ils ont même atteint des activités catalytiques aussi élevées que dans le modèle naturel, l'appareil photosynthétique des plantes.

"Ce succès a été rendu possible parce que notre doctorant Niklas Noll a créé une poche artificielle autour du catalyseur de ruthénium. Dans celle-ci, les molécules d'eau pour le transfert d'électron couplé au proton souhaité sont disposées devant le centre de ruthénium dans un arrangement défini avec précision, similaire à ce qui se passe dans les enzymes », explique Frank Würthner.

Le groupe JMU présente les détails de son nouveau concept dans la revue Nature Catalysis . L'équipe composée de Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle et Frank Würthner est convaincue que ce principe convient également à l'amélioration d'autres procédés catalytiques.

L'objectif à long terme du groupe de Würzburg est d'intégrer le catalyseur d'oxydation de l'eau dans un dispositif artificiel qui divise l'eau en oxygène et en hydrogène à l'aide de la lumière du soleil. Cela prendra un certain temps, car le catalyseur doit être couplé à d'autres composants pour former un système global fonctionnel - avec des colorants captant la lumière et avec des catalyseurs dits de réduction. + Explorer plus loin

De la lumière au lieu de l'électricité :un nouveau type d'"hydrogène vert"