Photosynthèse artificielle: enfin une réaction efficace en laboratoire

Publié par Adrien le 08/07/2020 à 09:00
Source: CNRS INC
Inspiré de la photosynthèse, le photo-splitting de l'eau est la réaction qui utilise l'énergie solaire pour transformer les molécules d'eau en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2). Cette recherche est pénalisée par des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) onéreux et peu abondants, des faibles rendements et la production d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée...) gazeux de H2 et O2 difficile à séparer.

Des chimistes de l'I2BC (CNRS/CEA/Université 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...) Saclay), de l'ICP (CNRS/Université Paris Saclay) et de l'ICMMO (CNRS/Université Paris Saclay) ont mis au point (Graphie) un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et...) carboné sous forme de nanostructures de polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un système formé par un ensemble de macromolécules de même nature chimique. Les...) conjugué (En mathématiques, le conjugué d'un nombre complexe z est le nombre complexe formé de la même partie réelle que z mais de partie imaginaire opposée.) qui est capable de reproduire cette réaction efficacement sous éclairement et l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est stocké sur un composé organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.). Ces travaux sont publiés dans la catégorie hot article de la revue Chemical Science.


Photosystème II et nano-PDPB. © droits réservés

Le photo-splitting de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) consiste à décomposer l'eau (H2O) utilisant 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.) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de...) en 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.) (O2) et en dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température. Les...) (H2), pour des applications liées aux énergies renouvelables. Des matériaux semiconducteurs à base d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde...) métalliques existent depuis des décennies, capables de réaliser dans la majorité des cas seulement une des deux réactions, à savoir l'oxydation de l'eau (libération de O2) ou la production de H2 avec de faibles rendements. De plus, ces matériaux sont chers et éventuellement, libèrent en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) le dioxygène et le dihydrogène, un mélange délicat à manier.

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 est un tel institut.) de Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des...) Intégrative de la Cellule (I2BC, CNRS/CEA/Université Paris Saclay), de l'Institut de Chimie Physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des procédés. En particulier, la description énergétique des diverses...) (ICP, CNRS/Université Paris Saclay) et de l'Institut 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 partage des espaces d'investigations communs ou...) Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO, CNRS/Université Paris Saclay) ont découvert un nouveau matériau carbonné capable de réaliser le photo splitting de l'eau de façon plus efficace tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en stockant le H2.

L'équipe s'est inspirée du fonctionnement de l'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...) Photosystème II de l'appareil photosynthétique. Pendant l'oxydation de l'eau, les plantes stockent les électrons et les protons libérés sur des quinones, des petites molécules qui deviennent alors des quinols. Ici, les scientifiques utilisent de nanopolymères semiconducteurs carbonnés, qui sous éclairement créent des charges électriques qui permettent l'oxydation de l'eau libérant le dioxygène. De manière surprenante, les électrons et protons émis sont stockés sur le nanomatériau (Un nanomatériau est un matériau possédant des propriétés particulières à cause de sa structure nanométrique. Elle est habituellement issue de la nanotechnologie.).

Les chercheurs indiquent que le matériau fonctionne aussi bien sans avoir à distiller l'eau. Outre leur intérêt pour la production d'hydrogène comme vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire....) d'énergie, ces travaux éclairent la voie vers le couplage de photo-splitting de l'eau avec la réduction de dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute...), une voie prometteuse pour la valorisation et le stockage du CO2.

Référence:
Visible light-driven simultaneous water oxidation and quinone reduction by nano-structured conjugated polymer without cocatalysts
Jully Patel, Xiaojiao Yuan, Stéphanie Mendes Marinho, Winfried Leibl, Hynd Remita & Ally Aukauloo.
Chem. Sci., 2020.
DOI: 10.1039/D0SC02122A
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