Le Technion s’inspire des plantes pour produire le carburant de demain

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15 mai 2018

Le biomimétisme consiste à s’inspirer du vivant pour concevoir de nouvelles solutions. En effet, ce que l’homme peine parfois à créer, la Nature le produit quotidiennement avec une aisance parfois frustrante. Découvrez comment une équipe du Technion (l’Institut de technologie d’Israël) s’inspire des plantes pour produire de l’hydrogène.

Une nouvelle étude du Technion (l’Institut de technologie d’Israël) vient d’être publiée par l’équipe du Dr. Mayaan, en collaboration avec l’équipe du Dr. Christou de l’Université de Floride ; elle décrit un tout nouveau catalyseur capable de produire de l’hydrogène.
Cette étude, publiée dans le journal « Nature Catalysis », se distingue par l’approche choisie par les chercheurs israéliens et américains : s’inspirer du vivant. Cette approche, appelée bio-mimétisme, consiste à chercher des solutions innovantes dans la nature en copiant les procédés, les propriétés, les matières, les formes ou les fonctions du vivant. L’un des exemples les plus connus est le projet de machines volantes de Leonard de Vinci inspirées d’oiseaux ou de chauves-souris. Néanmoins, on retrouve aujourd’hui du bio-mimétisme dans pratiquement tous les domaines, y compris l’informatique, l’électronique ou, dans le cas présent, la chimie.

Dans cette étude, les chercheurs se sont intéressés à la production d’hydrogène à partir d’eau. L’hydrogène est l’un des principaux candidats comme carburant du futur en raison de sa forte densité énergétique massique (c’est à dire l’énergie par unité de masse d’hydrogène (sous forme liquide)), mais aussi par sa combustion propre, puisque le seul produit de la combustion de l’hydrogène avec l’oxygène est la vapeur d’eau.
Outre les problèmes de transport et stockage, la production d’hydrogène reste l’un des principaux freins à son développement. Si la plus grande partie de l’hydrogène est produit actuellement à partir de ressources fossiles, la voie alternative privilégiée aujourd’hui est celle de l’électrolyse de l’eau, technique qui consiste à appliquer un courant électrique à un réservoir d’eau via deux électrodes. Se produisent alors des réactions d’oxydo-réductions qui entraînent la production d’hydrogène en « dissociant » les molécules d’eau en molécules d’hydrogène et d’oxygène. Malheureusement, la réaction est extrêmement coûteuse en énergie. Les chercheurs cherchent donc à en améliorer le rendement via l’utilisation de catalyseurs.
Un catalyseur est un composé que l’on ajoute à la réaction afin d’ « aider » cette dernière à se réaliser. Il peut être solide, liquide, synthétique ou naturel (les enzymes sont les catalyseurs du vivant par exemple). Certains catalyseurs sont capables d’accélérer une réaction à une vitesse 1000 fois supérieure et/ou dans des conditions moins contraignantes qu’une réaction sans catalyseur, rendant le procédé plus rapide, plus efficace et souvent plus écologique.

Quel est alors le lien avec les plantes ? Il se trouve que les plantes sont les championnes toutes catégories en matière de dissociation d’eau en hydrogène et oxygène. En effet, cette réaction est au cœur de la photosynthèse, cette réaction que toutes les plantes sur Terre réalisent quotidiennement grâce au Soleil et à température ambiante. Au niveau des chloroplastes, ces micro-usines où la photosynthèse a lieu, le complexe d’oxydation de l’eau (COE) catalyse cette dissociation de l’eau par oxydation en utilisant l’énergie solaire. Le COE est un complexe enzymatique, c’est-à-dire une partie d’une enzyme (dans notre cas, le Photosystème II), dont le rôle de catalyseur est intimement lié aux atomes de manganèse et de calcium présents dans sa structure.
Si de nombreux essais ont été tentés pour utiliser des molécules synthétiques construites sur le model de COE pour catalyser la production d’oxygène, les résultats ont été plutôt limités. Ceci est notamment dû à la nature instable des catalyseurs synthétiques créés. En effet, rappelons que, dans la plante, le COE n’est pas seul mais fait partie d’un tout, l’enzyme appelée Photosystème II. Or, isoler le COE ou une structure similaire le rend instable. De ce fait, toute molécule construite sur le modèle du COE présente un risque d’instabilité, qui n’est d’ailleurs pas le seul problème. En effet, la réaction doit se dérouler dans l’eau, où le catalyseur doit donc être soluble.

C’est donc ce qui rend la découverte de l’équipe du Dr. Mayaan novatrice. Ils ont réussi à créer un catalyseur construit sur le modèle du COE, auquel ils ont rajouté un ligand rendant la molécule plus volumineuse, plus stable mais aussi plus hydrophile (qui aime l’eau et qui est donc soluble dans l’eau). Ce catalyseur peut être produit de façon simple, propre et est plus efficace que la plupart des ses « petits-frères ».
C’est donc une petite révolution pour ce domaine, mais un grand pas vers un futur durable.

Sources :

En savoir plus :

Rédacteur : Arthur Robin, doctorant à l’Université de Tel Aviv

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