Utiliser des catalyseurs intrinsèquement fragiles pour générer et utiliser des combustibles chimiques
La transition globale vers des énergies renouvelables nécessite de développer des catalyseurs solides, hautement actifs et évolutifs. Un catalyseur constitue une substance qui augmente la vitesse à laquelle survient une réaction chimique, sans subir de modification chimique permanente elle-même. Prenez pour exemple la production d’hydrogène, un combustible zéro-carbone utilisable par les véhicules ou pour la production de chaleur. L’électrolyseur qui produit de l’hydrogène à partir d’eau et d’électricité et les piles à combustibles qui convertissent l’hydrogène en électricité emploient généralement des métaux précieux en guise de catalyseurs. Toutefois, leur abondance limitée et les problèmes liés à leur sourçage durable se sont avérés un obstacle majeur à l’utilisation généralisée de l’hydrogène. Malheureusement, les catalyseurs alternatifs basés sur des métaux plus durables ne parviennent pas à fournir le niveau de stabilité exigé par ces applications. Il est nécessaire de développer une nouvelle approche de ce casse-tête des catalyseurs: c’est là qu’entre en jeu le projet REDOX SHIELDS (Protection of Redox Catalysts for Cathodic Processes in Redox Matrices), financé par l’UE. «On croit communément que la conversion d’énergie chimique nécessite un catalyseur solide», indique le chercheur principal Nicolas Plumeré, par ailleurs professeur à l’Université technique de Munich. «Ce projet, qui a reçu le soutien du Conseil européen de la recherche, vise à prouver que le contraire est également vrai, à savoir que les catalyseurs fragiles peuvent être utilisés pour générer et utiliser des combustibles chimiques.» Pour ce faire, Nicolas Plumeré a créé une matrice polymérique innovante conductrice d’électrons, afin de protéger même les catalyseurs les plus fragiles, tels que l’hydrogénase, le catalyseur naturel de production ou d’oxydation de l’hydrogène. Le système innovant est employé pour l’électrolyse de l’eau, la réaction électrochimique où l’eau (H2O) est transformée en H2 et en O2. Le défi tient ici au fait que l’O2 libéré par la réaction peut endommager les hydrogénases, les rendant rapidement inactives. «Notre système répond à ces problèmes en tirant parti de l’H2 libéré et en l’utilisant pour protéger le catalyseur des effets inactivants de l’O2», explique Nicolas Plumeré. «Cette protection est également efficace au sein des piles à combustibles en utilisant l’H2 issu de l’alimentation en carburant.»
Plusieurs découvertes importantes
Grâce à cette matrice innovante, Nicolas Plumeré est parvenu à plusieurs découvertes importantes, telles que la démonstration théorique que des matrices de protection minime confèrent une protection quasi-infinie au catalyseur, même lorsque celui-ci est l’hydrogénase très fragile. «Cela permet potentiellement de protéger l’hydrogénase de l’oxygène pendant près de 20 000 ans, selon les prédictions théoriques», fait remarquer Nicolas Plumeré. «D’un point de vue pratique, cela signifie que la dégradation par l’oxygène peut être totalement empêchée sans avoir à sacrifier la charge ou la performance catalytique.» Par la suite, les chercheurs ont démontré comment l’hydrogénase peut fonctionner en présence d’air, comme dans le cas de son utilisation pour convertir l’hydrogène en électricité. «Cette découverte a montré que l’hydrogénase est susceptible de rester active dans l’oxygène pendant plus d’une semaine, tandis que par le passé, cette enzyme se désactivait en quelques minutes seulement», ajoute Nicolas Plumeré.
Une alternative compétitive aux combustibles fossiles
Selon Nicolas Plumeré, les résultats du projet sont directement applicables aux dispositifs dans le domaine de la biotechnologie et de la production de combustible solaire. Ainsi, le projet contribue à positionner les énergies renouvelables sources en tant qu’alternative compétitive aux combustibles fossiles. «Le projet REDOX SHIELDS est parvenu à prouver que la fragilité d’un catalyseur n’empêche pas son utilisation pour différentes applications», conclut Nicolas Plumeré. «Je suis donc convaincu que nos résultats auront un impact significatif sur la manière dont la communauté de conversion chimique de l’énergie conçoit de nouveaux catalyseurs moléculaires et biologiques pour produire du combustible chimique.»
Mots‑clés
REDOX SHIELDS, catalyseurs, combustibles chimiques, énergies renouvelables, énergie durable, hydrogène, piles à combustible, hydrogénases
