Enzymes et catalyseurs organométalliques dans les piles à hydrogène – ENZHYD

Face à l'impact environnemental croissant de l'usage des dérivés du pétrole dans les transports, les piles à combustible (PAC) ont le vent en poupe. Le développement rapide de leur marché dévoile des difficultés à venir car les PAC actuellement disponibles ou en développement utilisent comme catalyseurs d'oxydation et de réduction des nanoparticules de platine, un métal noble trop rare pour qu'une telle technologie puisse jamais répondre à un marché de masse. Cependant d'autres catalyseurs, moléculaires, ont été récemment découverts et ont montré des activités catalytiques intéressantes : des enzymes issues de microorganismes des sols marécageux, les hydrogénases, catalysent l'oxydation de l'hydrogène ; des complexes organométalliques biomimétiques ont été construits en s'inspirant de leur structure, certains montrent déjà une bonne capacité catalytique d'oxydation de l'hydrogène ; enfin, des complexes de cobalt catalysent la réduction de l'oxygène. Le projet EnzHyd propose de réaliser deux piles à hydrogène sans platine fonctionnant pour l'une avec des hydrogénases, pour l'autre avec des complexes organométalliques comme catalyseur d'oxydation de l'hydrogène, et avec des complexes de cobalt comme catalyseurs de la réduction de l'oxygène. Premièrement, on s'efforcera de découvrir et de développer de nouveaux catalyseurs organométalliques pour la cathode et pour l'anode des piles à hydrogène. L'effort sur les catalyseurs d'anode se portera sur le criblage d'une grande variété de structures en minimisant les besoins en synthèse organique. Pour les catalyseurs de cathode, on s'intéressera aux polymères azotés comme complexant des ions cobalt afin de minimiser les coûts de production. Deuxièmement, on utilisera les meilleurs catalyseurs actuellement disponibles : les hydrogénases d'une part, des complexes organométalliques décrits d'autre part, pour la réalisation de minipiles à hydrogène fonctionnant en mode passif, afin de tester dans des conditions aussi proches que possible du réel les qualités de ses nouveaux catalyseurs. Si de nouveaux catalyseurs étaient découverts dans la première partie, ils seraient rapidement testés en PAC dans ces conditions. L'effort se portera d'abord sur le couplage électrochimique efficace entre les catalyseurs moléculaires et leur support d'électrode, les nanotubes de carbone, choisis pour leur excellente conductivité et leur bonne capacité de couplage électrochimique avec des petites molécules redox ou des protéines. Les procédés de fabrication et de test des minipiles devront ensuite être adaptés à ces nouveaux matériaux, peu sensibles aux polluants organiques et au monoxyde de carbone, mais sensibles à l'oxygène et à la chaleur. Enfin, ce projet permettra d'évaluer ces nouveaux catalyseurs dans une pile en fonctionnement, de mesurer leurs performances et mettra en évidence leurs fragilités et leurs atouts.