Des chercheurs du CEA, du CNRS et de l'Université Joseph Fourier, à Grenoble et à Saclay (1), ont mis au point deux nouveaux matériaux à base de cobalt capables de remplacer le platine, métal rare et cher, dans la production d'hydrogène (Table complète - Table étendue) à partir d'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un composé chimique simple, mais avec des propriétés complexes à cause de sa...) (électrolyse). L'un peut fonctionner en solutions aqueuses de pH (2) neutre. Le second constitue le premier matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) catalytique "commutable" (3) et sans métaux nobles jamais créé capable d'intervenir dans les deux réactions chimiques essentielles à l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) de l'eau: la production d'hydrogène et la production d'oxygène. Ces résultats font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) de publications dans les revues Nature Materials et Nature Chemistry.

Les énergies renouvelables (soleil, vent, etc.) sont des sources d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas utilisable directement, elle doit être...) inégalement réparties sur le territoire et disponibles de manière intermittente. De ce fait, savoir stocker l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) produite paraît indispensable. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau constitue une solution prometteuse, mais elle requiert des catalyseurs contenant des métaux "nobles" comme le platine. La rareté et le coût de ces métaux sont des freins au développement économique de la filière ( Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat : la filière administrative. En gestion des ressources humaines,...) hydrogène sur le long terme.

La chimie (La chimie est la science qui étudie la composition et les réactions de la matière.) bio-inspirée se base sur des processus chimiques à l'œuvre chez certains organismes vivants. Ces organismes possèdent des systèmes enzymatiques, appelés hydrogénases, qui utilisent exclusivement des métaux peu coûteux et abondants dans la nature afin, soit d'utiliser l'hydrogène comme source énergétique, soit de produire de l'hydrogène à partir d'eau. Depuis plusieurs années, les chercheurs s'inspirent de ces enzymes pour élaborer de nouveaux catalyseurs moléculaires, sans platine, mais à base de métaux peu coûteux et abondants dans la nature (comme le fer, le nickel, le cobalt ou le manganèse).

Pour être utilisables dans des dispositifs technologiques, ces catalyseurs synthétiques doivent, comme le platine, être fixés en très grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer...) sur des électrodes présentant une surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent abusivement confondu avec sa mesure - l'aire ou la...) disponible importante. En 2009, des équipes de chercheurs du CEA, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Joseph Fourier ont réussi à immobiliser un de ces catalyseurs bio-inspirés, à base de nickel, sur des nanotubes de carbone (Table complète - Table étendue). Mais ce matériau n'est actif qu'en milieu fortement acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.). Or, l'électrolyse implique deux réactions: production d'hydrogène et production d'oxygène, et pour pouvoir s'affranchir du platine dans les deux cas, il faut pouvoir travailler dans des conditions de pH neutre à basique. En utilisant la même approche qu'en 2009, mais en développant un nouveau catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des...) bio-inspiré, à base de cobalt, les mêmes équipes viennent de franchir une nouvelle étape en obtenant un matériau capable de fonctionner dans des solutions aqueuses de pH neutre. L'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) catalytique obtenue s'avère extrêmement stable sur le long terme, la liaison du catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan de cette réaction.) aux nanotubes décuplant sa robustesse.

Les chercheurs sont allés plus loin et ont, en parallèle, mis au point (Graphie) un autre matériau, également à base de cobalt. Ce dernier est constitué de nanoparticules de cobalt enrobées d'un oxo-phosphate de cobalt. Ce matériau, qui fonctionne dans l'eau de pH neutre, est remarquable car il existe sous deux formes entre lesquelles il peut commuter et qui catalysent soit la production d'hydrogène (H2), soit l'autre réaction essentielle au processus d'électrolyse, à savoir la production d'oxygène (O2) à partir d'eau. Il s'agit du premier matériau catalytique "commutable" ou "Janus" (4) non basé sur des métaux nobles. Tout en s'affranchissant de platine, il est capable de catalyser de manière extrêmement stable la production d'hydrogène à partir d'eau de pH neutre.

Ces nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) à base de cobalt pourraient servir à développer des technologies stables et bon marché pour la production d'hydrogène, comme "solution" de stockage des énergies renouvelables. Les chercheurs travaillent actuellement à leur intégration dans un système global de photosynthèse artificielle, permettant de produire de l'hydrogène de manière totalement renouvelable, à partir d'eau et d'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle...).

Notes:

(1) Laboratoire de chimie et de biologie des métaux (unité mixte CEA/CNRS/Université Joseph Fourier) - IRTSV (Institut de recherches en technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) et sciences pour le vivant) - Iramis (Institut rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) et matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. Elle occupe de l'espace et la...) à Saclay) - CEA-Liten - CEA-Leti (DTBS, département des micro-technologies pour la biologie et la santé).

(2) Le pH permet de déterminer si une solution est acide, neutre ou basique.

(3) Ce matériau peut se transformer de manière réversible d'une forme chimique à une autre, chacune correspondant à une activité catalytique spécifique.

(4) Divinité romaine à deux visages.


Références:

E. S. Andreiadis, P.-A. Jacques, P. D. Tran, A. Leyris, M. Chavarot-Kerlidou, B. Jousselme, M. Matheron, J. Pécaut, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero, Molecular Engineering of a Cobalt-based Electrocatalytic Nano-Material for H2 Evolution under Fully Aqueous Conditions, Nature Chemistry (2012) in press.
DOI: 10.1038/NCHEM.1481

S. Cobo, J. Heidkamp, P.-A. Jacques, J. Fize, V. Fourmond, L. Guetaz, B. Jousselme, R. Salazar, V. Ivanova, H. Dau, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero, A Janus cobalt-based catalytic material for electro-splitting of water, Nature Materials 11 (2012) 802.
DOI: 10.1038/nmat3385