Catalyser un changement dans la production d'énergie
La photosynthèse artificielle pose des défis techniques redoutables. L'enzyme naturelle appelée photosystème II facilite la rupture de l'eau pour libérer les molécules d'hydrogène et d'oxygène. Dans des systèmes artificiels, l'eau peut être oxydée sur des surfaces d'oxyde de métal spécialement préparées. Cependant, l'optimisation in vitro du catalyseur mimant l'action de l'enzyme photosystème II nécessite des informations détaillées, qui manquaient jusqu'à présent, à propos des sites actifs sur les gros oxydes. Des chercheurs ont fait des progrès impressionnants dans la caractérisation de nouveaux catalyseurs très efficaces pour l'oxydation de l'eau grâce au financement par l'UE du projet H2OSPLIT («Water splitting catalysts for artificial photosynthesis»). Leur attention s'est portée sur des catalyseurs homogènes inorganiques de polyoxométalate contenant du ruthénium (Ru-POM) récemment synthétisés qui ont démontré une réactivité et une stabilité inédites en solution. On connaissait peu de choses sur leurs propriétés électroniques et structurelles. Grâce à des travaux théoriques et des simulations poussées, le projet H2OSPLIT a permis la caractérisation tant recherchée des propriétés du Ru-POM au niveau atomique en phase gazeuse. Les chercheurs ont également réussi à décrire l'interaction des cœurs actifs d'oxyde de ruthénium du système avec une molécule d'eau. Des simulations classiques de la dynamique moléculaire ont révélé des interactions solvant-soluté pour le catalyseur dans la solution. Des simulations supplémentaires ont révélé le mécanisme de l'oxydation de l'eau. Le projet H2OSPLIT a montré que le Ru4-POM de taille nanométrique est un système catalytique révolutionnaire pour l'oxydation de l'eau dans la photosynthèse artificielle. Les chercheurs ont établi une corrélation entre la structure locale des sites actifs et le mécanisme de réaction et son efficacité thermodynamique. Le travail a ouvert la voie à une conception rationnelle de catalyseurs moléculaires améliorés non seulement pour la photosynthèse artificielle, mais pour un ensemble d'autres réactions intéressantes sur le plan industriel.
Mots‑clés
Photosynthèse artificielle, catalyseur, enzyme, photosystème II, oxyde de métal, sites actifs, oxydation de l'eau, ruthénium, polyoxométalate, simulations
