Photosynthèse artificielle: l'étape clé de la photo-accumulation de charges reproduite
Publié par Redbran le 19/07/2018 à 12:00
Source: CNRS-INC
Des chercheurs du Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (CNRS/CEA/UGA), du Département de Pharmacochimie Moléculaire (UGA/CNRS), du laboratoire SyMMES (UGA/CNRS/CEA) et de l'Université de Jena en Allemagne ont conçu un photosensibilisateur, un complexe de ruthénium, capable de stocker de manière réversible deux électrons et deux protons. Cette découverte, parue dans Chemical Science, pourrait contribuer à lever un des verrous limitant l'efficacité de la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition)...) artificielle.


En haut: Structure du photosensibilisateur et réactivité a) en présence de lumière et d'une source d'électrons, la triéthylamine ; b) réversibilité du processus lors de l'exposition à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il...).
En bas: Structure et réactivité des plastoquinones de la chaine photosynthétique.
©Murielle Chavarot-Kerlidou

La photosynthèse est une fascinante source d'inspiration pour concevoir des dispositifs moléculaires innovants, comme les cellules photo-électrochimiques à colorants qui permettent de convertir et stocker l'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 de l'eau et du vent. Le...) sous la forme d'un carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.): hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (H2) par réduction des protons de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou des carburants carbonés issus de la réduction du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la...).

D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) fondamental, ces dispositifs reproduisent trois étapes clés de la photosynthèse: l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux...) 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.) lumineuse, la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs...) de charges photo-induite, 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 catalyseur, qui est en général en quantité...) de la réaction qui produit les carburants en impliquant plusieurs électrons. Mais leur efficacité est actuellement limitée par une propriété intrinsèque du système: les électrons sont délivrés un par un par le photosensibilisateur alors qu'ils sont utilisés deux par deux par 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 le cas de la production d'hydrogène. La nature résout ce problème avec une étape intermédiaire de photo-accumulation de charges.

Dans l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) d'intégrer ce processus intermédiaire dans un dispositif de photosynthèse artificielle, les chimistes ont conçu un nouveau photosensibilisateur possédant un site de photo-accumulation de charges. Grâce à différentes techniques électrochimiques et spectroscopiques combinées avec des calculs théoriques, ils ont mis en évidence que ce complexe de ruthénium, placé sous irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants :...) lumineuse et en présence d'une source d'électrons, a effectivement la capacité de stocker de manière réversible deux électrons et deux protons. Ce mécanisme, qui rappelle celui des plastoquinones, relais d'électrons de la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) photosynthétique naturelle, représente une sérieuse piste pour augmenter l'efficacité de futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) dispositifs de photosynthèse artificielle.

Ces travaux, financés par le Labex grenoblois Arcane et le programme CEA-DRF Impulsion 2017, ouvrent de nouvelles perspectives en photocatalyse bio-inspirée pour l'énergie.

Référence publication:
J.-F. Lefebvre, J. Schindler, P. Traber, Y. Zhang, S. Kupfer, S. Gräfe, I. Baussanne, M. Demeunynck, J.-M. Mouesca, S. Gambarelli, V. Artero, B. Dietzek, M. Chavarot-Kerlidou
An artificial photosynthetic system for photoaccumulation of two electrons on a fused dipyridophenazine (dppz)–pyridoquinolinone ligand
Chemical Science – Avril 2018
DOI: 10.1039/C7SC04348A

Contact chercheuse:
Murielle Chavarot-Kerlidou, LCBM UMR 5249, CEA, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) Grenoble Alpes
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