Femmes et science : le Technion (Israël) produit du carburant hydrogène en s'inspirant de la photosynthèse
[:fr]
Au cours des dernières décennies, des groupes de recherche du monde entier se sont attaqués au problème du fractionnement de l’eau en vue de produire de l’hydrogène. L’hydrogène représente une alternative écologique aux carburants existants, car elle produite à partir d’une ressource peu coûteuse et facilement disponible, l’eau. C’est également le seul sous-produit des voitures fonctionnant à l’hydrogène, ce qui contraste fortement avec les émissions polluantes des véhicules à essence. Galia Maayan, professeur adjoint à la Faculté de chimie Schulich du Technion, Institut israélien de technologie, présente un complexe moléculaire (également appelé cluster moléculaire artificiel) qui améliore considérablement l’efficacité de l’oxydation de l’eau. Il le fait par biomimétisme, un domaine d’ingénierie inspiré par la nature (vie, imitation). Dans ce cas précis, l’inspiration provient du processus de photosynthèse dans la nature.
Muriel Touaty, directrice générale du Technion France, précise : « Ces travaux sont un bel exemple de réussite des femmes scientifiques du Technion dans les domaines de l’énergie et de l’environnement. Une grande partie a été réalisée par Naama Gluz, étudiante en M.Sc., sous la supervision du Pr Maayan. Naama Gluz poursuit ses recherches sur l’unique complexe de manganèse dans le cadre de ses études doctorales. Auparavant, elle avait démontré que le complexe est capable de séparer l’eau par exposition à la lumière d’une lampe simple« . Dans le futur, cela permettra de produire de l’oxygène et de l’hydrogène en grande quantité et très rapidement. Au final, le processus fonctionnerait avec l’énergie solaire, sans nécessiter d’électricité.
La photosynthèse est un processus naturel qui s’est développé chez les plantes, les bactéries et les algues à travers l’évolution. L’énergie du soleil est utilisée pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone en matière organique et en oxygène. Ce processus est vital pour la vie sur Terre, car tous les animaux incapables de réaliser la photosynthèse (y compris les êtres humains) sont nourris de la chaîne alimentaire dont le premier lien est la bactérie photosynthétique. L’oxygène que nous respirons provient de la photosynthèse.
Le manganèse (Mn) est l’un des éléments essentiels du processus de photosynthèse. Inspiré par la nature, de nombreuses recherches ont été menées afin de permettre l’utilisation du manganèse comme catalyseur de la décomposition de l’eau, en combinaison avec l’électricité comme source d’énergie, visant à produire de l’hydrogène, un processus connu sous le nom d’électrolyse de l’eau. Chaque molécule d’eau, H2O, contient un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène, qui sont divisés en utilisant l’énergie d’un courant électrique. Ceci est fait avec une cathode et une anode ; la cathode apporte des électrons à l’eau et attire l’oxygène, et l’anode prélève des électrons dans l’eau et attire l’hydrogène. C’est un processus très difficile, nécessitant souvent une grande quantité d’énergie pour le mettre en mouvement. De plus, les catalyseurs à base de manganèse sont souvent instables et se décomposent rapidement au cours de ce processus.
Le complexe moléculaire développé par le Pr Maayan devrait changer la donne. Cette grappe, qui est en fait une molécule complexe appelée Mn12DH, possède des caractéristiques uniques et avantageuses lors de la séparation de l’eau. Les expériences menées avec ce complexe démontrent qu’il produit une grande quantité d’électrons (courant électrique) et une quantité importante d’oxygène et d’hydrogène, malgré un investissement énergétique relativement faible. Mieux encore, il est stable, contrairement à d’autres catalyseurs à base de Mn.
Selon Galia Maayan, «dans la nature, l’évolution a créé une enveloppe protéique autour du noyau de manganèse qui le stabilise et empêche sa dissolution. Inspiré par cette structure naturelle, nous avons développé une coque organique qui permet au complexe de manganèse de se dissoudre dans l’eau et de le stabiliser ».
Publication dans Nature Catalysis, novembre 2017
Source Technion France
[:en]Over the past few decades, research groups from around the world have been addressing the challenge of splitting water in order to produce hydrogen. The reason for this interest is that hydrogen fuel is a ‘green’ and ecological alternative for existing fuels, produced from an inexpensive and readily available resource – water. It is also the only by-product of hydrogen-powered cars, which is in stark contrast to the polluting fumes that gasoline-powered vehicles emit.
In an article published in the Nature Catalysis, Assistant Professor Galia Maayan of the Schulich Faculty of Chemistry at the Technion-Israel Institute of Technology presents a molecular complex (also called an artificial molecular cluster) that dramatically improves the efficiency of water oxidation. It does so by biomimicry – a field of engineering inspired by nature (bio=life, mimetics=imitation). In this specific case, the inspiration comes from the process of photosynthesis in nature.
Photosynthesis is a natural process that developed in plants, bacteria and algae through evolution. Energy from the sun is used to transform water and carbon dioxide into organic material and oxygen. This process is vital for life on Earth, because all animals incapable of performing photosynthesis (including human beings) are nourished from the food chain whose first link is photosynthetic bacteria. In addition, the oxygen we breathe originates in photosynthesis.
Manganese (Mn), is one of the essential elements in the photosynthesis process. Inspired by nature, much research was conducted in order to enable the utilization of manganese as a catalyst for water splitting, in combination with electricity as an energy source, aiming to produce hydrogen – a process known as water electrolysis. Each molecule of water, H2O, contains one oxygen atom and two hydrogen atoms, which are split using energy from an electric current. This is done with a cathode and an anode; the cathode contributes electrons to the water and attracts oxygen, and the anode takes electrons from the water and attracts hydrogen. This is a very challenging process, often requiring large amount of energy to set it in motion. Moreover, Mn-based catalysts are often unstable and decompose rapidly during this process.
The molecular complex developed by Asst. Prof. Maayan is expected to change this situation. This cluster, which is actually a complex molecule called Mn12DH, has unique characteristics that are advantageous when splitting water. Experiments conducted with this complex demonstrate that it produces a large quantity of electrons (electric current) and a significant amount of oxygen and hydrogen, despite a relatively low energetic investment. No less important, it is stable – meaning that it is not easily demolished, like other Mn-based catalysts.
According to Asst. Prof. Maayan, “In nature, evolution created a protein shell around the manganese core that stabilizes it and prevents its dissolution. Inspired by this natural structure, we developed an organic shell that enables the manganese complex to dissolve in water and stabilizes it.”
Much of the work described in the article was carried out by the student Naama Gluz as part of her M.Sc. studies under the supervision of Asst. Prof. Maayan. Gluz is continuing to research the unique manganese complex as part of her doctoral studies. In preliminary experiments, she was able to demonstrate that the complex is capable of splitting water through exposure to light from a simple lamp. In the future, this will make it possible to produce oxygen and hydrogen in large quantities and very rapidly. The idea is that eventually the process will work with solar energy, without requiring electricity.
Publication in Nature Catalysis, November 2017[:]
