Un grand défi consiste à utiliser la lumière du soleil directement comme source d'énergie pour la division de l'eau (c'est-à-dire sans production intermédiaire d'électricité), reproduisant ainsi la transduction énergétique directe de la lumière en produits chimiques obtenue par les organismes photosynthétiques. Dans un tel processus, la lumière est utilisée pour extraire les électrons de l'eau, qui est oxydée en O₂. La plupart des organismes utilisent ces électrons photogénérés pour réduire le dioxyde de carbone atmosphérique et produire des hydrates de carbone, des protéines ou des lipides comme constituants principaux de leur biomasse, mais certains micro-organismes comme les cyanobactéries ou les micro-algues sont capables, dans des conditions très spécifiques, de photosynthèse de l'hydrogène, d'une manière totalement durable, appelée " séparation par la lumière ".


S'inspirant de ce processus naturel, nous participons au développement de dispositifs photoélectrochimiques de séparation de l'eau, combinant des catalyseurs bio-inspirés à évolution H₂ (développés dans l'axe I) avec des composants photosensibles, soit des systèmes solides (semi-conducteurs) soit des photosensibilisateurs moléculaires (colorants métallo organiques et entièrement organiques) greffés à des matériaux conducteurs.

Nous avons rapporté la première photocathode à évolution H₂ sensibilisée à un colorant sans métal noble, basée sur l'assemblage covalent du catalyseur diimine dioxime de cobalt avec un colorant organique push-pull. La dyade résultante a été ancrée sur des films de NiO mésoporeux et l'électrode sensibilisée au colorant obtenue a produit de l'H₂ à pH 4,5 sous irradiation continue de lumière visible. Nous sommes actuellement impliqués dans l'optimisation rationnelle des performances de ces photocathodes évolutives H₂ construites par une stratégie moléculaire. De plus, en collaboration avec les groupes du Pr Ishitani (Tokyo Institute of Technology, Japon) et le Pr R. Abe, une cellule photoélectrochimique moléculaire du schéma Z pour la séparation de l'eau combinant une photocathode sensibilisée par un colorant et une photoanode semi-conductrice à faible écart de bande a été construite.


D'un point de vue fondamental, ces dispositifs reproduisent les étapes clés de la photosynthèse que sont la capture de la lumière, la séparation spatiale de charges photoinduite et la catalyse redox multi-électronique. Néanmoins, leur efficacité est actuellement limitée par une propriété intrinsèque du système : les transferts d'électrons photoinduits sont intrinsèquement mono-électroniques alors que la catalyse multi-électronique est visée. La nature surmonte ce problème au moyen d'une étape intermédiaire de photoaccumulation de charge qui permet de stocker temporairement les équivalents réducteurs (ou oxydants) impliqués dans les réactions d'intérêt. L'intégration de sites spécifiques d'accumulation d'électrons dans des dispositifs photosynthétiques artificiels pour la production de combustible solaire fait actuellement l'objet d'un autre projet du groupe. Le stockage réversible de deux électrons couplés à deux protons a été observé sur des photosensibilisateurs originaux au ruthénium possédant des ligands aromatiques π-étendus, reproduisant le mécanisme en action avec les relais électroniques plastoquinoniques dans la chaîne de transport des électrons de l'appareil photosynthétique.


Alternativement, les propriétés des semi-conducteurs inorganiques peuvent être exploitées pour produire des photocathodes efficaces. Comme preuve de concept, nous avons démontré que le greffage de catalyseurs moléculaires sur du silicium de type p protégé au TiO₂ permet de fabriquer des photoélectrodes assez stables pour l'évolution du H₂ avec des densités de photocourant atteignant 1 mA/cm² à 0 V vs RHE. Le photopotentiel d'attaque de ces photoélectrodes hybrides est cependant trop bas et nous sommes à la recherche de nouveaux semi-conducteurs à abondance terrestre qui pourraient permettre de surmonter cette limitation.


Nous nous sommes également attaqués récemment à la valorisation photoélectrochimique du CO₂. Le véritable défi est le captage du CO₂ atmosphérique et sa conversion en combustible liquide. Cela nécessitera des percées dans la conception de matériaux (photo)électrocatalytiques appropriés. Notre ambition est de développer de nouveaux matériaux de (photo)électrodes pour la réduction sélective du CO₂ qui ouvriraient la voie à une production durable de carburants et de produits chimiques de base grâce à l'énergie solaire.