Projet ANR-15-CE05-0020 – shields : Des films de polymères pour supporter et protéger des catalyseurs d'oxydation de l'hydrogène et de réduction du CO2
Programme : Exploration de concepts en rupture (DS0201) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Christophe Léger (Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse_BIP)
Montant : 183040.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : L'espoir est grand que des catalyseurs naturels (des enzymes) ou des catalyseurs synthétisés à partir de métaux de transition, abondants et bon marché, pourront être utilisés dans le contexte de l'énergie. L'obstacle majeur qu'il faudra résoudre a déjà été identifié, il s'agit de la fragilité et de la sensibilité à l'oxygène de ces catalyseurs. Le partenaire allemand de ce projet a récemment démontré, que les hydrogénases, les très efficaces mais très fragiles catalyseurs naturels de l'oxydation du dihydrogène, peuvent être protégé de l'oxygène en les intégrant dans un film d'hydrogel rédox, qui utilise les électrons produits par l'oxydation catalytique de l'hydrogène pour réduire les molécules de dioxygène et les empêcher de pénétrer le film polymérique [Plumeré et al, Nature Chemistry, 2014]. Après la publication de ces premiers résultats, les partenaires français et allemands de ce projet ont initié une collaboration, qui a déjà porté ses fruits [Fourmond et al, J. Am. Chem Soc., 2015], afin de comprendre le mécanisme de protection et d'optimiser la construction du film supportant le catalyseur. Ces résultats récemment publiés dans des journaux prestigieux sont le point de départ d'une étude complète qui est l'objet de ce projet international et interdisciplinaire ANR/DFG.
Nous allons explorer le nouveau concept proposé dans ces deux articles en examinant plusieurs configurations (catalyse d'oxydation ou de réduction, dans des films minces ou épais), en utilisant des enzymes telles que hydrogénases et CO déshydrogénases comme modèles de catalyseurs efficaces et fragiles. Ces enzymes, qui seront produites par le partenaire français, ont été choisies parce qu'elles ont des propriétés variées (catalyse réversible ou irréversible, inactivation par l'O2 réversible ou irréversible, vitesses d'inactivation et de réactivation qui peuvent être modifiées par ingénierie protéique). Chacune de ces enzymes catalyse plusieurs milliers de fois par seconde une réaction qui est importante de le contexte de l'énergie ou de l'environnement, l'oxydation ou la production du dihydrogène, ou la réduction du CO2. Une collaboration étroite entre les deux partenaires sera cruciale dans le projet, parce que la compréhension du mécanisme de protection par l'hydrogel requiert que les paramètres cinétiques et géométriques du film soient mesurées, et utilisées dans des modèles mathématiques qui permettent de décrire les processus de réaction et diffusion qui se produisent dans le film, et qui gouverne les distributions des espèces rédox dans l'épaisseur du film; les modèles doivent ensuite être validés par des résultats expérimentaux concernant l'effet de l'exposition au dioxygène sur les courants catalytiques, avant que ces connaissances puissent être utiliser pour améliorer le design des films (hydrophobicité du squelette du polymère, potentiel rédox des fonctions latérales du polymère, épaisseur, concentrations etc.). Les deux partenaires ont déjà démontré qu'ils avaient les compétences diverses nécessaires pour accomplir le projet (biochimie, biologie moléculaire, modélisation mathématique en France; synthèse de polymères, physico-chimie, électrochimie en Allemagne) et qu'ils peuvent unir leurs forces dans le cadre d'une collaboration.
Le but ultime du projet est de comprendre le fonctionnement de ces systèmes catalytiques complexes, où le catalyseur est protégé par une matrice polymérique rédox, en continuant le travail récemment entrepris et publié par les partenaires du projet. Nous comprendrons les facteurs qui gouvernent les performances (densité de courant, résistance) et deviendrons capable d'élaborer des électrodes robustes pour des applications qui utilisent des métalloenzymes ou n'importe quel catalyseur synthétique efficace et fragile. Bien sûr ces connaissances deviendront utilisables par la large communauté scientifique de l'électrocatalyse.