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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

14. Biomasse : filière chimique bio-inspirée

Vincent Artero, Frédéric Gloaguen, Marc Fontecave et Philippe Schollhammer

Texte intégral

1Face aux problèmes posés par l’utilisation des combustibles fossiles, les technologies alternatives pour l’énergie sont en plein développement. Dans ce contexte, la mise au point de procédés permettant de produire et d’utiliser le dihydrogène (H2) selon des voies économiquement et écologiquement viables est un enjeu majeur. La Nature a déjà répondu à ce challenge en élaborant des enzymes* appelées hydrogénases dont l’activité catalytique (cf. II.10) est exceptionnelle. De plus, et contrairement au platine qui est un métal rare et onéreux, le site catalytique des hydrogénases est constitué uniquement d’éléments abondants comme le nickel, le fer et le soufre. Une autre particularité révélée par l’étude de leur structure cristallographique est la présence de différentes chaînes de transport permettant aux électrons*, aux protons et aux gaz de circuler rapidement entre le site catalytique et la surface de l’enzyme (cf. V.13). Les hydrogénases s’apparentent donc à de véritables petites usines à hydrogène dont la logistique d’approvisionnement est optimisée.

2Malgré des avancées importantes, les enzymes hydrogénases restent difficiles à produire et à purifier en grande quantité. Elles demeurent également des biomolécules fragiles qui nécessitent des conditions particulières de température et pH* pour développer leur pleine activité. Pour pallier ces limitations, une piste possible serait de produire des enzymes artificielles. Partant de la structure moléculaire des hydrogénases, les chimistes peuvent soit synthétiser une copie fidèle du site catalytique (on parle d’approche biomimétique), soit inventer de nouveaux catalyseurs* s’appuyant sur la compréhension du mode de fonctionnement de l’enzyme (on parle d’approche bio-inspirée). De tels catalyseurs présentent de nombreux avantages : ils sont faciles à synthétiser et peu coûteux à produire à grande échelle. De plus, au contraire des enzymes, ils peuvent être utilisés dans des conditions variées de solvants et de température. Enfin, ils sont souvent moins sensibles que leur homologue naturel à une dégradation par l’oxygène de l’air.

Approche biomimétique

3Les études développées à partir de modèles biomimétiques sont principalement conceptuelles. Elles ont comme objectif une compréhension du rôle de certains motifs structuraux communs à toutes les hydrogénases sur le contrôle stérique* et électronique des étapes de transfert d’électrons et de protons. Les travaux portant sur le site catalytique des hydrogénases FeFe sont les plus nombreux et les plus aboutis. Citons en particulier ceux basés sur des composés binucléaires* du fer présentant plusieurs sites de réactions avec les protons (figure 1). Des avancées significatives sur la structure des intermédiaires-clés du cycle biocatalytique ont ainsi été réalisées. La réaction avec un acide de certains composés binucléaires du fer portant un jeu de ligands* adéquats a permis d’observer la formation d’une espèce hydrure* FeH en position terminale. Ce résultat confirme l’existence probable de ce type d’intermédiaire dans le cycle biocatalytique. Une autre hypothèse concernant la présence dans le site catalytique des hydrogénases d’une base relais facilitant le couplage proton-hydrure a été testée en introduisant une fonction amine* (X = N (H) dans la figure 1) dans la seconde sphère de coordination des composés binucléaires du fer. La réaction de cette fonction amine avec les acides est rapide mais le transfert du proton de l’amine vers le site bimétallique pour former une espèce hydrure FeH n’a été que rarement observé. Ces résultats sont cependant prometteurs et incitent les chimistes à élaborer de nouvelles générations de composés biomimétiques prenant en compte encore plus complètement l’environnement chimique du site catalytique des hydrogénases.

Fig. 1 – L’approche biomimétique appliquée aux hydrogénases. L’étude de la catalyse de la réduction des protons par des composés chimiques modélisant le site catalytique de l’enzyme permet de mieux comprendre la chimie et les clés de l’activité des hydrogénases

Fig. 2 – De l’enzyme au matériau bio-inspiré. Représentation schématique de la structure de l’hydrogénase NiFe (à gauche), du catalyseur* bio-inspiré (au milieu) et du matériau d’électrode bio-inspiré (à droite) à base de nanotubes de carbone* et de nafion®

Approche bio-inspirée

4Les catalyseurs bio-inspirés renferment quant à eux des éléments chimiques que la Nature n’a pas sélectionnés car peu disponibles dans le milieu ou difficiles à mobiliser par un organisme vivant. Cette plus grande liberté permet aux chimistes d’utiliser à plein le potentiel offert par le tableau périodique des éléments. Par exemple, les composés à base de nickel présentés sur la figure 2 combinent des motifs structuraux présents dans les sites actifs des deux types d’hydrogénases (l’ion nickel des hydrogénases NiFe et la fonction amine présente au site actif* des hydrogénases FeFe, X = NH dans la figure 1) tout en tirant parti des propriétés particulières de ligands qui renferment des atomes de phosphore au lieu des atomes de soufre du système biologique. C’est à partir de ces complexes qu’a été développé le premier matériau sans platine capable de catalyser aussi bien la production de dihydrogène que son oxydation, pour une utilisation au sein d’un électrolyseur ou d’une pile à combustible. En greffant le catalyseur bio-inspiré sur un conducteur électronique à base de nanotubes de carbone*, et en incorporant cet assemblage au sein d’une matrice polymère capable d’échanger des ions*, il a été possible d’optimiser la logistique d’approvisionnement du site catalytique en électrons et protons, exactement comme cela est organisé au sein des hydrogénases.

5L’étape suivante vers une production d’hydrogène de manière totalement renouvelable consisterait à utiliser le Soleil comme source primaire d’énergie. En effet, les plantes, lors de la photosynthèse*, utilisent la lumière solaire pour synthétiser directement des molécules énergétiques, en l’occurrence des sucres. Certaines micro-algues et bactéries produisent même ainsi de l’hydrogène. Dès lors, pourquoi ne pas pousser plus loin la démarche bioinspirée en couplant les catalyseurs moléculaires avec un photosensibilisateur, sorte de panneau photovoltaïque moléculaire qui capte la lumière solaire et la transforme en courant électrique ? On parle alors de photosynthèse artificielle, un domaine en plein essor dans les laboratoires du monde entier.

Bibliographie

Références bibliographiques

• V. ARTERO et M. FONTECAVE – Chimie bio-inspirée : s’affranchir du platine dans les applications hydrogène, clefs CEA n° 60, 2011.

• V. ARTERO, N. GUILLET, D. FRUCHART et M. FONTECAVE – L’Hydrogène, une énergie propre pour demain ? Pour La Science n° 405, 2011.

• V. ARTERO – L’Approche bio-inspirée pour la production d’hydrogène, dans L’Hydrogène, carburant de l’après-pétrole ? IFPEN-CEA, Éditions Technip, 2012.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – L’approche biomimétique appliquée aux hydrogénases. L’étude de la catalyse de la réduction des protons par des composés chimiques modélisant le site catalytique de l’enzyme permet de mieux comprendre la chimie et les clés de l’activité des hydrogénases
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11043/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 71k
Légende Fig. 2 – De l’enzyme au matériau bio-inspiré. Représentation schématique de la structure de l’hydrogénase NiFe (à gauche), du catalyseur* bio-inspiré (au milieu) et du matériau d’électrode bio-inspiré (à droite) à base de nanotubes de carbone* et de nafion®
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11043/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 165k

Auteurs

Chimiste, Expert senior CEA, Grenoble.
vincent.artero@cea.fr

Électrochimiste, Directeur de Recherche au CNRS, CEMCA, Université de Bretagne Occidentale, Brest.
frederic.gloaguen@univ-brest.fr

Chimiste, Professeur au Collège de France, Chaire de Chimie des Processus Biologiques, Membre de l’Académie des Sciences, Université Joseph Fourier, Grenoble et Paris.
marc.fontecave@cea.fr

Chimiste, Professeur des Universités, Université de Bretagne Occidentale, Brest.
philippe.Schollhammer@univ-brest.fr

© CNRS Éditions, 2013

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