Production photocatalytique d’hydrogène

 

Depuis quelques années l’hydrogène est en tête du pelotons des remplaçants aux hydrocarbures en tant que source d’énergie. Mais avant de crier victoire, il faut se rappeler que nous ne disposons pas actuellement de moyen de production d’hydrogène qui soit sur, peu coûteux et permettant de produire d’importantes quantités de gaz.

 

De nombreuses équipes de recherche se sont intéressées au problème et de remarquables découvertes ont été faites ces dernières années. Les premières cellules de production d’hydrogène mettaient en jeu des métaux chers – tel le platine – et malgré de bons résultats, le prix du métal restait un frein au développement de ces systèmes.

De nouvelles cellules ont vues le jour récemment, mettant en jeu principalement du rhodium, caractérisé par des TONs (turn over – nombre de moles de substrats qu’une mole de catalyseur peut convertir avant de se désactiver – plus il est important et plus le catalyseur est actif) allant jusqu’à 5000.

 

Deux équipes ont récemment publié leurs propres résultats.

Commençons avec les travaux de Fraser Armstrong. Celui-ci et son équipe ont mis au point une cellule hybride basée sur la mise en commun d’un photosensibilisateur organométallique et d’une enzyme.

Dans un premier temps, de la lumière vient exciter le photosensibilisateur, qui va alors donner un de ses électrons à un support conducteur (de l’oxyde de titane TiO2) – une réaction avec un substrat permet de faire revenir le photosensibilisateur dans son état initial. Les électrons sont alors transférés jusqu’au site actif de l’enzyme où les protons sont réduit en hydrogène.

 

Schéma du système catalytique (TEAO : triéthanolamine – substrat sacrifiable)

 

Des études ont permis de sélectionner la meilleure enzyme pour se travail (Désulfomicrobium baculatum) ainsi que le meilleur photosensibilisateur pour donner un système capable de générer de l’hydrogène avec un TON = 50, plus que correct pour ce type de système.

 

 

Passons aux travaux de l’équipe de Matthias Beller. Celui-ci a mis au point un système catalytique un peu différent. Il se base toujours sur l’utilisation d’un photosensibilisateur organométallique à base d’iridium mais met en jeu des sels de fer pour l’aspect catalyse.

Comme précédemment, le photosensiblisateur excité par de la lumière va transférer un électron au catalyseur (dont le précurseur est un sel de fer : [Fe3(CO)12]) qui va réduire des protons en hydrogène. Le photosensibilisateur revient à son état initial en réagissant avec un substrat sacrifiable.

 

Schéma du système catalytique (SR : substrat sacrifiable)

 

Il a été montré que ce système permettait d’atteindre des TON de 2500 après 20h d’irradiation continue par de la lumière visible (par rapport à l’iridium).

 

 

Ces travaux sont donc du plus grand intérêt car ils permettent d’approfondir notre connaissance de ces systèmes, tout en nous permettant d’envisager de futurs développements.

 

 

Sources : Reisner, E.; Powell, D.J.; Cavazza, C.; Fontecilla-Camps, J.C.; Armstrong, F.A. J. Am. Chem. Soc., 2009, DOI : 10.1021/ja907923r

Gärtner, F.; Sundararaju, B.; Surkus, A.-E.; Boddien, A.; Loges, B.; Junge, H.; Dixneuf, P.H.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed., 2009, DOI : 10.1002/anie.200905115