1. Conception de métalloenzymes artificielles pour la catalyse d'oxydation
Dans le domaine de la catalyse, la recherche d'alternatives respectueuses de l'environnement à la catalyseur homogène standard nous a amenés à concevoir des métalloenzymes artificielles, basées sur l'insertion d'un complexe inorganique au sein d'une protéine. L'équipe collabore depuis de nombreuses années avec l'équipe BioCE de notre laboratoire sur la conception de monooxygénases artificielles. Ces biohybrides combinent la protéine de transport de nickel NikA comme plateforme protéique et une série de complexes de Ru et de Fe comme centres actifs pour des réactions de sulfoxydation, d'hydroxylation aromatique et d'oxychloration. Récemment, les deux groupes ont développé avec succès de nouveaux catalyseurs hétérogènes en utilisant la technologie de « cristaux d'enzymes réticulés » (CLEC) sur des hybrides de « complexes NikA/Fe », ce qui a permis d'atteindre une stabilité et des propriétés catalytiques remarquables. Dans les prochaines années, la technologie CLEC sera étendue à une série de procédés catalytiques pour la production de nouveaux produits à forte valeur ajoutée dans le domaine de l'énergie et de la santé, en respectant les principes de la chimie verte.
2. Bio-(photo)electrocatalysis devices in “Power-to-gas" applications
Aujourd'hui, l'un des défis majeurs est le développement de dispositifs « Power-to-gas » permettant de convertir le CO₂ en CH₄ (via la réaction de Sabatier : CO₂ + H₂ → CH₄ + 2 H₂O) ou en gaz de synthèse (via la réaction inverse du gaz à l'eau, WGSR : CO₂ + H₂ → CO + H₂O). Notre objectif est d'exploiter l'efficacité et la sélectivité exceptionnelles soit d'enzymes purifiées telles que la CODH et l'hydrogénase, soit de micro-organismes tels que les méthanogènes, afin de développer des systèmes bio-électrocatalytiques performants.
Dans le domaine de l'électrocatalyse, les systèmes biologiques offrent l'avantage de fonctionner dans des conditions douces, en utilisant des métaux non nobles et à des surtensions quasi nulles, respectant ainsi plusieurs principes de la chimie verte.
L'un des objectifs principaux du projet est de proposer un dispositif bio-électrocatalytique pour réaliser la réaction inverse du WGSR. L'exploration de la biodiversité, la comparaison des structures et des fonctions de CODH encore non caractérisées, ainsi que l'utilisation de la mutagénèse dirigée pour ajuster leurs propriétés, permettront d'identifier de nouvelles enzymes dont les caractéristiques seront mieux adaptées à l'électrocatalyse. Les CODH les plus prometteuses seront couplées soit à des hydrogénases, soit à des catalyseurs bio-inspirés pour catalyser la réaction inverse du WGSR. Ces nanomatériaux moléculaires seront intégrés dans des réacteurs (photo)-électrocatalytiques.
Dans une seconde approche, nous couplons la biométhanation (la production de biométhane par les méthanogènes) et l'électrolyse (l'électrométhanogenèse) afin de convertir l'électricité, l'eau et le dioxyde de carbone en méthane renouvelable. La conception des MEC élimine la nécessité de produire du H₂ séparément, tout en surmontant les limitations de productivité associées à la faible solubilité et au faible transfert de masse du H₂ dans l'eau. Les développements principaux porteront sur la conception d'électrodes spécifiques et de leurs supports, afin d'améliorer le transfert de masse des différentes espèces en milieu liquide.