Des chercheurs grenoblois optimisent la photosynthèse artificielle pour produire de l’hydrogène

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FIL INFO – Une technique alternative efficace et peu onéreuse pour fabriquer du carburant hydrogène à partir de nouveaux capteurs de lumière a été développée par des chercheurs grenoblois. Leurs travaux, qui optimisent le processus de la photosynthèse artificielle, ont été publiés dans Energy & Environmental Science, le 10 avril dernier.

 

 

Utiliser l’énergie de la lumière, comme les plantes lors de la pho­to­syn­thèse, pour éla­bo­rer des molé­cules com­plexes à par­tir de molé­cules simples que sont l’eau (H2O) et le dioxyde de car­bone (CO2), l’homme sait déjà le faire depuis plu­sieurs années. Mais non sans cer­tains incon­vé­nients. En effet, le pro­cédé mimé­tique de la pho­to­syn­thèse arti­fi­cielle en solu­tion néces­site l’utilisation de métaux coû­teux ou toxiques pour cap­ter l’énergie du soleil.

 

Des chercheurs grenoblois ont optimisé la photosynthèse artificielle pour produire du carburant hydrogène au moyen de nouveaux capteurs de lumière. DR

L’hydrogène, une éner­gie verte.  DR

Une page se tourne ? Une chose est sûre, une équipe de cher­cheurs gre­no­blois* a déve­loppé une alter­na­tive effi­cace avec de nou­veaux cap­teurs de lumière. Des nano­cris­taux semi-conduc­teurs (quan­tum dots), à base de cuivre, d’indium et de soufre qui ont per­mis aux scien­ti­fiques de pro­duire du car­bu­rant hydro­gène hau­te­ment éner­gé­tique (dihy­dro­gène, H2). Leurs tra­vaux ont été publiés** dans Energy & Environmental Science, le 10 avril 2018.

 

 

Des capteurs de lumière moins chers, moins toxiques et recyclables !

 

L’enjeu en vaut vrai­ment la chan­delle, tant il est éco­no­mi­que­ment inté­res­sant d’utiliser comme matière pre­mière H2O et CO2, des molé­cules stables et abon­dantes de l’environnement, pour fabri­quer du car­bu­rant hydro­gène. De sur­croît, en uti­li­sant l’énergie gra­tuite du soleil ! Autre appli­ca­tion pos­sible ? Élaborer par ce pro­cédé des pro­duits chi­miques d’intérêt pour l’industrie.

 

Certes les nou­veaux cap­teurs de lumière [aussi nom­més chro­mo­phores ou pho­to­sen­si­bi­li­sa­teurs, ndlr] sont tou­jours de nature métal­lique mais bien moins oné­reux que les métaux nobles voire rares comme le ruthé­nium ou l’iri­dium jusqu’ici uti­li­sés. Et moins toxiques que l’option fon­dée sur l’emploi de maté­riaux semi-conduc­teurs inor­ga­niques conte­nant le dan­ge­reux métal cad­mium. Autre avan­tage ? Cette nou­velle géné­ra­tion de chro­mo­phores peut en outre être recy­clée plu­sieurs fois sans perte notable d’activité.

 

 

Des nanocristaux pour une production plus performante d’hydrogène

 

Quid de leur struc­ture ? Les nou­veaux cap­teurs de lumière sont consti­tués de nano­cris­taux semi-conduc­teurs (ou quan­tum dots) inor­ga­niques munis d’un cœur de sul­fure de cuivre et d’indium, pro­tégé d’une coquille de zinc et de soufre. Ils fonc­tionnent asso­ciés à des cata­ly­seurs molé­cu­laires à base de cobalt.

 

Des chercheurs grenoblois ont optimisé la photosynthèse artificielle pour produire du carburant hydrogène au moyen de nouveaux capteurs de lumière. © Damien Jouvenot, Département de chimie moléculaire (CNRS/Université Grenoble Alpes).

Mécanisme de la pho­to­syn­thèse arti­fi­cielle en solu­tion obte­nue au moyen du sys­tème « hybride » com­posé du chro­mo­phore en nano­cris­taux semi-conduc­teurs inor­ga­niques à cœur de sul­fure de cuivre et d’in­dium, pro­tégé d’une coquille de zinc et de soufre (à gauche en orange, jaune et vert) et d’un cata­ly­seur molé­cu­laire (à droite, en bleu, blanc et vert).  © Damien Jouvenot, Département de chi­mie molé­cu­laire (CNRS-Université Grenoble Alpes).

 

En fédé­rant leurs exper­tises en ingé­nie­rie des maté­riaux semi-conduc­teurs et en pho­to­ca­ta­lyse, les scien­ti­fiques de la Silicon Valley à la fran­çaise ont ainsi créé un sys­tème « hybride » qui s’a­vère par­ti­cu­liè­re­ment effi­cace pour pro­duire du dihy­dro­gène. À tel point qu’en pré­sence d’un excès de vita­mine C qui four­nit les élec­trons au sys­tème, il montre une acti­vité cata­ly­tique [un accrois­se­ment du taux de conver­sion, ndlr] remar­quable dans l’eau. La meilleure obte­nue à ce jour avec des quan­tum dots sans cad­mium.

 

L’optimisation s’ex­plique par la com­bi­nai­son des excel­lentes pro­prié­tés d’absorption de la lumière visible et la sta­bi­lité des semi-conduc­teurs inor­ga­niques avec l’efficacité des cata­ly­seurs molé­cu­laires. De quoi pro­mettre un bel ave­nir à cette alter­na­tive plus éco­lo­gique !

 

 

Véronique Magnin

 

 

* Chercheurs du Centre natio­nal de la recherche scien­ti­fique (CNRS), du Commissariat à l’éner­gie ato­mique et aux éner­gies alter­na­tives (CEA) et de l’université Grenoble Alpes (UGA)* affec­tés au dépar­te­ment de chi­mie molé­cu­laire (CNRS-Université Grenoble Alpes) et au labo­ra­toire Systèmes molé­cu­laires et nano­ma­té­riaux pour l’éner­gie et la santé (SyMMES) (CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes). Ces tra­vaux ont été déve­lop­pés au tra­vers d’un pro­jet col­la­bo­ra­tif financé par le réseau des labo­ra­toires d’ex­cel­lence Labex Arcane de Grenoble.

 

** Cadmium-Free CuInS2/ZnS Quantum Dots as Efficient and Robust Photosensitizers in com­bi­na­tion with a Molecular Catalyst for Visible Light-Driven H2 Production in Water. M. Sandroni, R. Gueret, K. D. Wegner, P. Reiss, J. Fortage, D. Aldakov, and M.-N. Collomb. Energy&Environmental Science, le 10 avril 2018.

 

 

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