Des chercheurs de l’Université de Kyushu ont développé un vecteur d’énergie hydrogène pour surmonter certains des plus grands obstacles sur la voie d’une économie durable de l’hydrogène. Comme expliqué dans un article publié dans JACS Au , ce nouveau composé peut efficacement « stocker » les électrons de l'hydrogène à l'état solide pour les utiliser ultérieurement dans des réactions chimiques.
L’hydrogène est une source prometteuse d’énergie propre avec de nombreuses applications potentielles inexploitées dans l’industrie et dans la vie quotidienne. Contrairement aux carburants conventionnels, l’hydrogène peut être utilisé pour produire de l’électricité sans produire de gaz à effet de serre. Il peut également être utilisé dans diverses réactions chimiques telles que l'hydrogénation, c'est-à-dire comme source d'ions hydrure ou d'électrons d'atomes d'hydrogène.
Cependant, le stockage et le transport de l'hydrogène à l'état gazeux ou liquide sont extrêmement difficiles, nécessitant des équipements et des systèmes de refroidissement coûteux.
Professeur Seiji Ogo du WPI-Institut international pour l'énergie neutre en carbone (WPI-I 2 ) de l'Université de Kyushu CNER) développe des solutions innovantes à ces problèmes. Dans leur étude la plus récente, Ogo et son collègue de l'Université de Kindai se sont inspirés de la nature pour développer un composé à base d'iridium aux propriétés particulières et remarquablement utiles.
"Nous explorons activement les vecteurs d'énergie hydrogène qui peuvent être facilement synthétisés et utilisés tels quels. Ces composés sont basés sur l'enzyme hydrogénase présente dans la nature, qui peut catalyser l'hydrogène en protons et en électrons à température ambiante", explique Ogo. "L'une des idées centrales de notre approche qui a conduit à une avancée majeure était de considérer l'hydrogène non pas comme une source d'ions hydrure ou d'atome d'hydrogène chargés négativement, mais comme des électrons."
Après avoir soigneusement examiné de nombreuses combinaisons d'ions métalliques et de ligands organiques, l'équipe de recherche a mis au point un composé à base d'iridium qui, lorsqu'il est exposé à l'hydrogène, l'incorpore au centre métallique après avoir perdu un ion iodure. De cette manière, le composé proposé peut extraire et stocker efficacement les électrons de l'hydrogène.
Ces changements sont facilement réversibles dans de bonnes conditions, et les électrons stockés peuvent être facilement extraits et utilisés dans des réactions chimiques pour synthétiser des molécules précieuses. Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur l'utilisation des électrons stockés dans le composé pour catalyser les réactions de cyclopropanation.
Les cyclopropanes sont des molécules dotées d'une structure cyclique carbonée à trois chaînons et représentent des unités structurelles importantes dans divers médicaments pharmaceutiques et composés organiques. Cependant, les cyclopropanations conventionnelles ont produit de grandes quantités de déchets métalliques comme sous-produits. Le vecteur d'énergie hydrogène proposé contourne complètement ce problème.
"Les réactions de cyclopropanation réalisées dans notre étude utilisent de l'hydrogène plutôt que des métaux comme réducteur et ne produisent ainsi aucun déchet métallique. Il s'agit d'un avantage majeur du composé proposé par rapport aux techniques établies", remarque Ogo.
Notamment, cette étude marque également la première fois qu'une réaction entre l'hydrogène et les alcènes (des hydrocarbures contenant une double liaison carbone) produit des cyclopropanes plutôt que des alcanes beaucoup plus simples.
Après des tests approfondis, l'équipe a découvert que le vecteur d'énergie proposé pouvait capturer les électrons de l'hydrogène et les stocker pendant plus de trois mois à l'état solide à température ambiante.
Dans leurs travaux futurs, Ogo et ses collègues prévoient de se concentrer sur le développement d'un vecteur énergétique similaire utilisant des éléments du groupe du fer, moins chers et plus abondants que l'iridium. En promouvant les collaborations industrie-université, leurs prochains efforts viseront à développer des solutions évolutives aux problèmes pratiques liés aux prochaines économies de l'hydrogène.
"Nous croyons sincèrement que les réalisations actuelles contribueront à la réalisation d'une société neutre en carbone", conclut Ogo.
Plus d'informations : Seiji Ogo et al, Cyclopropanation utilisant des électrons dérivés de l'hydrogène :réaction d'alcènes et d'hydrogène sans hydrogénation, JACS Au (2024). DOI:10.1021/jacsau.4c00098
Fourni par l'Université de Kyushu
