Photosynthèse artificielle

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1 Photosynthèse artificielle utiliser l énergie solaire pour produire hydrogène et carburants Vincent Artero Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux UMR 5249 CNRS/ Université Joseph Fourier/ CEA Grenoble Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 1

2 Potentiel des sources d énergie renouvelables TW Énergie solaire : TW 7000 fois la consommation actuelle (disponible qq milliards d années)!! ~1.5 utilisé 1 Hydro 2 Courants & marées 4 10 Eolien Geotherm Solaire Consommation actuelle 13 TW 20 TW (2030) 26 TW (2050) Biomasse: ~ 5 TW ( 20 TW correspond à 30 % de la surface cultivable)! Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 2

3 Les défis pour l utilisation de l énergie solaire -Densité de puissance faible: 170 W.m -2 (carburants fossiles: ) à comparer aux densités requises pour les utilisations finales: -Maisons: W.m -2 -Buildings/supermarchés, etc..: W.m -2 -Usines: W.m -2 -Gratte-ciels: 3000 W.m -2 -Intermittence - Concentration - Stockage (carburants) Hydrogene (H 2 ) Valoriser le CO 2 et fabriquer des carburants liquides de synthèse Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 3

4 La photosynthèse Chez les micro-algues Chlamydomonas Reinhardtii Chlorella fusca CO 2 Fixation du CO 2 RuBP 2H + H 2 biomasse NADP + FNR H 2 ase NADPH Fd Photosystème II Photosystème I Q A F A,F B P680 PQ Cyt b6 f Pc OEC P700 2H 2 O O H + Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 4/16 4

5 La photosynthèse Conversion de l énergie lumineuse en énergie électrochimique Absorption d un photon et création de paire électron-trou au niveau d un photosensibilisateur moléculaire Séparation spatiale des charges Catalyse enzymatique efficace Couplage avec des catalyseurs pour la production d hydrogène et d oxygène 1.0µm Cellules à colorants Photovoltaïque organique Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 5

6 Les hydrogénases, une alternative au platine? 2 H H 2 ω 2 Armstrong. et al. Chem. Commun L hydrogénase NiFe d Allochromatium vinosum se révèle aussi efficace que le platine pour interconvertir protons et hydrogène E isos = -400 mv/enh (30 C; ph 7; 0,1 bar H 2 )

7 L approche bio-inspirée Fontecilla and coll, Nature 1995 ; Structure 1999 H 2 H + Ni Fe Artero and coll. Chem. Commun 2010, 46, 5876 Catalyseurs multiélectroniques moléculaires et non-nobles Production d hydrogène Valorisation de CO2 et production de carburants Chimie fine Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 7

8 Des modèles d hydrogénases aux nanomatériaux catalytiques solution Test demi-pile membrane Nafion NRE212 CS Matériau catalytique déposé sur couche de diffusion gazeuse (BASF LT1200W) H 2 N 2 N 2 + H nm Potential (E) / V Potentiel (E) /V Densité Current de courant density (J) (j) /ma/cm / ma/cm² 2 Pt Catalyse bidirectionnelle Pas de surtension Stabilité dans H 2 SO 4 0.5M sur plus de 10 heures European patent application EP Artero et coll., Science, 2009 Angew. Chem. Int. Ed Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 8

9 Vers la Photosynthèse Artificielle ½H 2 Et 3 N + >100 cycles catalytiques Et 3 N Lien covalent H + photosensibilisateur catalyseur 2H + H 2 H 2 ase Photosystème II Fd Photosystème I Q A F A,F B P680 OEC PQ Cyt b6 f Pc P700 2H 2 O O H + Artero et coll. Angew. Chem. Int. Ed Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 9

10 Photoelectrodes et systèmes PEC O. Khaselev, J. Turner. Science, 1998, 280, 425. Nocera Science 2011 Solar to H 2 = 12.4% Solar to H 2 = 2,5 7.5% Yamada et al. Int. J. H 2 Energy 2003, 28, 1167 Solar to H 2 = 5.4% M. Grätzel J. Phys Chem 2005; 2009 Solar to H 2 = 6,3% Nature 2001 Domen (2010) J. Am. Chem. Soc. 132, 5858 Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 10

11 Réduction enzymatique du CO 2 Formiate deshydrogenase (W) Hirst, PNAS 2008 CO-deshydrogénase (Ni-Fe) Armstrong, JACS 2010 Vanadium Nitrogenase Reduces CO En présence de CO (et absence de N 2 ): pas de production d H 2 mais détection d éthane, d éthylène et de propane Nitrogénase (Fe-V): Ribbe, Science 2010 Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 11

12 Réduction électro- et photo-chimique du CO 2 Catalyseurs moléculaires : production de CO et d acide formique production concomitante d hydrogène forte surtension (faibles rendements) Sato J. Am. Chem. Soc Angew. Chem. Int. Ed Deronzier Angew. Chem. Int. Ed Catalyseurs métalliques : Cu : Méthane et éthane mais forte surtension (faibles rendements) Mo : Méthanol mais cinétique faible Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 12

13 La solution «naturelle» Incorporation réductrice du CO 2 Source réductrice : NADPH (forme physiologique masquée de l hydrogène) RuBisCo Ribulose1,5-biphosphate carboxylase oxidase Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 13

14 Hydrogéner le CO 2 (1) CO 2 + H 2 = H 2 CO 2 Catalyseurs organométalliques : Le plus souvent à base de métaux nobles; C/ 5-20 MPa Récents développements de catalyseurs à base de métaux nonnobles (fer) basse pression, basse température Réaction dans l eau Milstein et al. Angew. Chem. Int. Ed Beller, Fer Angew 2010 Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 14

15 Hydrogéner le CO 2 (2) Voie industrielle ( CO 2 est ajouté au syngas) Catalyseur: Cu/ZnO/(Al 2 O 3 ) C; 5-10 Mpa CO 2 + 3H 2 = méthanol Voies prospectives (H 2 produit par electrolyse ou photoélectrolyse Carbon recycling international (Islande) Mitsui Chemicals (Japon) Voie biotechnologique formate dehydrogenase (F ate DH), formaldehyde dehydrogenase (F ald DH) et alcohol dehydrogenase (ADH) co-encapsulées dans un sol-gel avec NADH comme réducteur (à régénérer par voie électro- ou photo-chimique). Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre 15

16 Conclusion et Perspectives L approche bio-inspirée permet d élaborer de nouveaux catalyseurs pouvant constituer à terme une alternative à l utilisation des métaux nobles dans les dispositifs technologiques de production d hydrogène Ces catalyseurs peuvent être immobilisés sur des surfaces pour former de nouveaux matériaux nanostructurés Ils peuvent également couplés à des photosensibilisateurs pour produire à terme l hydrogène à partir d eau et de lumière, d une manière totalement renouvelable. Une approche similaire peut être menée pour réduire le dioxyde de carbone et produire ainsi des carburants solaires selon une approche de photosynthèse artificielle Vincent Artero Direction des Sciences du vivant JAH octobre

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