Des composés rédox-actifs pour booster la production d'hydrogène
Publié par Redbran le 20/09/2018 à 12:00
Source: CNRS-INC

© M. Orio
Concevoir des catalyseurs performants et durables pour produire de l'hydrogène est la condition sine qua non pour faire de la filière hydrogène une source d'énergie pertinente pour le futur. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics...) des sciences moléculaires de Marseille (CNRS/AMU) et du Laboratoire de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle...) et bologie des métaux de Grenoble (CNRS/CEA/UGA) ont conçu un système catalytique inédit, à base de cobalt et d'un ligand capable de stocker des électrons, qui s'avère particulièrement efficace et plus économe en 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.) que ceux existants. Ces travaux sont publiés en tant que "Hot paper" dans la revue Chemistry, A European Journal.

Afin de subvenir aux besoins de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa...) et de réduire la dépendance aux énergies fossiles, l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est aujourd'hui envisagé comme une source d'énergie alternative de premier choix. Il peut être produit par 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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), procédé qui consiste à décomposer 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 matière possédant...) d'eau (H2O) en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (O2) et en hydrogène (H2) à l'aide d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au...). Or le 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...) – élément clé de cette réaction chimique –, à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) le plus performant, se compose de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.), métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) noble, rare et cher, qui rend le procédé trop couteux pour une utilisation industrielle. Le défi actuel est donc d'élaborer des catalyseurs alternatifs, formés de métaux non nobles, qui soient aussi efficaces pour synthétiser l'hydrogène.

C'est là le résultat que des chercheurs de l'Institut des sciences moléculaires de Marseille (CNRS/AMU) et du Laboratoire de chimie et bologie des métaux de Grenoble (CNRS/CEA/UGA) ont obtenu en concevant un complexe catalytique formé d'un métal abondant, le cobalt, et d'un ligand(1) particulier, le thiosemicarbazone. Ce ligand est rédox-actif, autrement dit il peut emmagasiner des électrons et donc servir de médiateur dans la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le...). Un tel système catalytique doté de deux sites de stockage des électrons et des protons (l'un au niveau du métal, l'autre au niveau du ligand) optimise la réduction des protons en hydrogène.

Les chercheurs ont ensuite étudié le comportement et les performances de ce 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 réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan de...) en combinant des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) expérimentales (rendement de la production d'hydrogène) et de modélisation (décomposition des étapes de la réaction de catalyse et identification des composés formés à chaque étape).

Résultat: avec une vitesse (On distingue :) de réaction et un rendement équivalents aux catalyseurs disponibles, et un coût énergétique moins élevé, le nouveau complexe catalytique se place parmi les meilleurs existants. Si d'autres travaux doivent être réalisés avant d'envisager une utilisation à large échelle, ces résultats témoignent de la pertinence d'utiliser des ligands rédox-actifs pour améliorer les procédés de synthèse catalytique de l'hydrogène.


À gauche: graphe comparatif des performances des catalyseurs (vitesse de catalyse, énergie requise). Les courbes en orange et bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise...) désignent respectivement les complexes de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) et de cobalt les plus performants de la littérature. Les courbes verte et rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) désignent respectivement les complexes de nickel et de cobalt conçus par l'iSm2 et le LCBM ; le complexe de cobalt et de thiosemicarbazone se distingue par une dépense énergétique moins élevée que les autres, ce qui en fait un catalyseur particulièrement compétitif.
À droite : représentation du catalyseur à base de cobalt et du ligand thiosemicarbazone (les flèches indiquent les sites de rencontres entre électrons et protons).
© M. Orio


Note:
(1) Molécule capable de se lier spécifiquement à une autre molécule ou atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...), ici au cobalt.


Référence publication:
T. Straistari, R. Hardré, J. Fize, S. Shova, M. Réglier, V. Artero, M. Orio
Experimental and theoretical studies of a thiosemicarbazone cobalt electrocatalyst for proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) reduction.
Chem. Eur. J. – Avril 2018
DOI:10.1002/chem.201801155

Contact chercheur:
Maylis Orio, Institut des Sciences Moléculaires de Marseille (iSm2), Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Aix-Marseille
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