Du biomimétisme pour valoriser le CO2
Publié par Adrien le 21/03/2019 à 08:00
Source: CEA

(c)Gotico/CEA
Les chercheurs du CEA-Joliot et leurs partenaires ont mis au point un nouveau catalyseur particulièrement efficace pour la réduction du CO2, en s'inspirant directement de la nature.

A la recherche de nouveaux moyens durables pour produire de 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.), les scientifiques imaginent des procédés innovants pour recycler ce CO2 en carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) ou en brique de synthèse pour des composés organiques d'intérêt, par exemple pharmaceutiques.

Les chimistes sont en première ligne face à cette problématique, car le recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. L'un des exemples qui illustre ce...) de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) de CO2 dans sa forme initiale en un carburant riche en énergie passe d'abord par un processus très énergivore qui consiste à casser les liaisons O=C=O. Afin de concevoir des catalyseurs efficaces, les scientifiques s'inspirent de la nature qui compte plusieurs enzymes capables de transformer le CO2 à grand échelle. Par exemple, la monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la molécule est...) déshydrogénase réduit réversiblement le CO2 en CO grâce à l'intervention du site actif métallique de cette enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer jusqu'à des millions de fois les...).

Les chercheurs du CEA-Joliot, en collaboration avec les Universités de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la...) Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) et Rennes 1, se sont inspirés de ce site actif naturel et ont utilisé un 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...) de type porphyrine de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le...) (1) qu'ils ont modifié en y introduisant des fonctions urée (L'urée ou carbamide (DCI) est un composé organique de formule chimique CO(NH2)2. C'est aussi le nom de la famille des dérivés de l'urée de formule...), sortes de piliers moléculaires pourvoyeurs de liaisons hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) pour immobiliser le CO2 sur le centre métallique, un peu comme dans l'enzyme naturelle (voir figure). Les résultats sont très prometteurs puisque:
- l'énergie nécessaire au transfert de deux électrons et deux protons pour transformer le CO2 en CO est significativement plus basse ;
- la vitesse (On distingue :) de capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de...) du CO2 est augmentée ;
- comme dans l'enzyme, les molécules d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) piégées entre les "piliers" urée jouent le rôle de source de protons pour la réduction du CO2, évitant ainsi l'utilisation de donneurs de protons sacrificiels.

Cette étude offre de nouvelles perspectives pour le développement de catalyseurs moléculaires de la réduction du CO2 plus efficaces et moins couteux en énergie.


Représentation du site actif de l'enzyme monoxyde de carbone déshydrogénase (gauche) et son modèle biomimétique de type porphyrine de fer modifiée (droite) comme 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...) pour une transformation plus efficace du CO2 en CO. © Gotico/CEA

Notes:
(1) Une porphyrine de fer est une molécule à structure macrocyclique, comme l'hème de l'hémoglobine qui sert à fixer le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de température.) dans les globules rouges


Références:
Second-Sphere Biomimetic Multipoint Hydrogen-Bonding Patterns to Boost (Boost est un ensemble de bibliothèques logicielles écrit en C++, et délivré sous licence libre. L'écriture de ce module est soumise à un comité de lecture. La...) CO2 Reduction of Iron Porphyrins | Angewandte Chemie
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