05.10.2022 - Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Une enzyme artificielle divise l'eau

Des progrès ont été réalisés sur la voie de la production d'hydrogène par la lumière du soleil

Des chimistes de Würzburg présentent un nouveau catalyseur moléculaire de type enzymatique pour l'oxydation de l'eau.

L'humanité est confrontée à un défi central : elle doit gérer la transition vers une économie énergétique durable et neutre en dioxyde de carbone.

L'hydrogène est considéré comme une alternative prometteuse aux combustibles fossiles. Il peut être produit à partir de l'eau en utilisant l'électricité. Si l'électricité provient de sources renouvelables, on parle d'hydrogène vert. Mais il serait encore plus durable si l'hydrogène pouvait être produit directement avec l'énergie de la lumière du soleil.

Dans la nature, la division de l'eau par la lumière a lieu pendant la photosynthèse chez les plantes. Les plantes utilisent pour cela un appareil moléculaire complexe, le photosystème II. L'imitation de son centre actif est une stratégie prometteuse pour réaliser la production durable d'hydrogène. Une équipe dirigée par le professeur Frank Würthner de l'Institut de chimie organique et du Centre de chimie des nanosystèmes de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) travaille sur ce sujet.

La division de l'eau n'est pas anodine

L'eau est constituée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. La première étape du fractionnement de l'eau est un défi : pour libérer l'hydrogène, il faut retirer l'oxygène de deux molécules d'eau. Pour ce faire, il faut d'abord retirer quatre électrons et quatre protons des deux molécules d'eau.

Cette réaction d'oxydation n'est pas anodine. Les plantes utilisent une structure complexe pour catalyser ce processus, constituée d'un amas de quatre atomes de manganèse sur lesquels les électrons peuvent se répartir. L'équipe de Würthner a développé une solution similaire au sein de leur première percée publiée dans les revues Nature Chemistry et Energy & Environmental Science en 2016 et 2017, une sorte d'"enzyme artificielle" capable de gérer la première étape de la division de l'eau. Ce catalyseur d'oxydation de l'eau, qui se compose de trois centres de Ruthénium interagissant dans une architecture macrocyclique, catalyse avec succès le processus thermodynamiquement exigeant de l'oxydation de l'eau.

Succès avec une poche artificielle

Aujourd'hui, les chimistes de la JMU ont réussi à faire en sorte que cette réaction sophistiquée se déroule efficacement sur un seul centre de ruthénium. Ce faisant, ils ont même obtenu des activités catalytiques aussi élevées que dans le modèle naturel, l'appareil photosynthétique des plantes.

"Ce succès a été rendu possible parce que notre doctorant Niklas Noll a créé une poche artificielle autour du catalyseur au ruthénium. Dans cette poche, les molécules d'eau nécessaires au transfert d'électrons couplé à des protons sont disposées devant le centre du ruthénium selon une disposition définie avec précision, comme c'est le cas dans les enzymes", explique Frank Würthner.

Publication dans Nature Catalysis

Le groupe de la JMU présente les détails de son nouveau concept dans la revue Nature Catalysis. L'équipe composée de Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle et Frank Würthner est convaincue que ce principe est également adapté à l'amélioration d'autres processus catalytiques.

L'objectif à long terme du groupe de Würzburg est d'intégrer le catalyseur d'oxydation de l'eau dans un dispositif artificiel qui divise l'eau en oxygène et en hydrogène à l'aide de la lumière du soleil. Cela prendra un certain temps, car le catalyseur doit être couplé à d'autres composants pour former un système global fonctionnel - avec des colorants qui captent la lumière et avec des catalyseurs dits de réduction.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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