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Photoproduction d'hydrogène

Publié le 23 janvier 2019

Responsable Dr. Murielle Chavarot-Kerlidou, en collaboration avec le Dr. Vincent Artero


Dr. Murielle Chavarot-Kerlidou
Chargée de Recherches au CNRS (CR1)

Laboratoire Chimie et Biologie des Métaux
CEA-Grenoble
17 rue des martyrs
38 054 Grenoble cedex 09
Tel. : (33) 4 38 78 91 07

Biographie


Photosynthèse artificielle et production d'hydrogène

Les plantes utilisent la lumière solaire pour synthétiser directement des molécules énergétiques, en l'occurrence des sucres : c'est la photosynthèse. Certaines micro-algues sont même capables, dans certaines conditions d'utiliser l'énergie solaire pour décomposer l'eau en oxygène et hydrogène.

On peut ainsi aller plus loin dans la démarche biomimétique en combinant les catalyseurs bio-inspirés
avec un photosensibilisateur, c'est-à-dire une molécule capable d'absorber la lumière et la transformer en flux d'électrons. On pourrait ainsi produire de l'hydrogène directement à partir de deux ressources renouvelables, l'eau et la lumière solaire, par un procédé de photosynthèse artificielle.


Afin d'utiliser l'énergie solaire, renouvelable, pour produire l'hydrogène et mimer ainsi le couple photosystème l/hydrogénase présent dans la chaine photosynthétique des micro-organismes photoproducteurs d'hydrogène, il faut coupler de manière efficace des catalyseurs d'électro-réduction des protons avec des photosensibilisateurs au moyen d'un lien covalent. Une première approche implique les cobaloximes et un photosensibilisateur capable d'absorber la lumière et de la convertir en potentiel électrochimique. Les complexes diimine de ruthénium, iridium et rhénium sont bien connus pour leurs propriétés photochimiques et ont été exploités pour synthétiser différents systèmes photocatalytiques qui ont été testés sous irradiation visible pour la photoproduction d'hydrogène. Nous avons ainsi pu mettre en évidence une activité supérieure pour les systèmes supramoléculaires (image) par rapport aux systèmes similaires mais dépourvu d'interaction directe entre le photosensibilisateur et le catalyseur.



Produire de l’hydrogène avec de l’énergie solaire.
Interview de Marc Fontecave sur France-info par Marie-Odile Monchicourt le 17 janvier 2008.

Dans un second temps, nous avons exploités une seconde génération de catalyseurs de production d'hydrogène, les complexes diimine-dioxime de cobalt et montré que le contrôle fin de la sphère de coordination du cobalt pouvait permettre d'optimiser les performances de tels systèmes, en stabilisant les intermédiaires réactionnels, complexes de Co(I) et complexes hydrure.



Nous sommes actuellement engagés dans plusieurs projets visant à immobiliser de tels systèmes photocatalytiques sur des matériaux d'électrode de manière à construire des photo-électrodes de production d'hydrogène. Les oxydes métalliques transparents sont des systèmes de choix pour l'élaboration de telles électrodes. Une première étude a ainsi consisté à greffer des photosensibilisateurs à base de ruthénium sur des électrodes d'oxyde d'indium et d'étain (indium-tin-oxide ou ITO). Cette étude a été réalisée en collaboration avec le groupe de Christel Laberty-Robert (UPMC) et Clément Sanchez (Collège de France) qui ont développé une méthode simple et peu coûteuse pour préparer des films mésoporeux d'ITO via une chimie sol-gel. Le greffage de complexes tris-bipyridine de ruthénium fonctionnalisés avec des groupements phosphonates a ensuite été réalisé, conduisant à des densité de greffage de l'ordre de plusieurs nanomoles par cm2, soit 100 fois plus importante que sur électrodes d'ITO plan commerciales. Les électrodes modifiées ainsi obtenues se sont révélées photo-actives et permettent de délivrer des photocourants de l'ordre de 50 µA/cm
2 en présence d'un accepteur d'électrons en solution.



Ce savoir-faire sera exploité dans le projet « Artiphyction », financé dans le cadre de l'initiative technologique conjointe « Hydrogène et piles à combustibles » (programme FCH- JU) du 7
e programme cadre de recherche (7e PCRD) de l'Union européenne. Ce projet, coordiné par le Prof. Guido Saracco de Polytechnico di Torino, vise à construire une cellule complète de photoproduction d'hydrogène. Notre équipe y collabore avec l'équipe de Bruno Jousselme et Serge Palacin (Iramis, CEA-Saclay) et l'entreprise Solaronix (Aubonne, Suisse) pour la réalisation d'une photocathode moléculaire reposant sur les principes décrits plus haut.

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