Parmi les nouvelles technologies de l’énergie, l’utilisation de l’hydrogène comme vecteur d’énergie est une solution séduisante. Le développement de la filière hydrogène ne peut cependant se réaliser qu’avec la maîtrise de deux étapes clés : d’une part la production d’hydrogène en grande quantité par électrolyse de l’eau dans des dispositifs appelés électrolyseurs, et d’autre part l’utilisation de l’hydrogène dans des piles à combustible pour fournir de l’énergie électrique via l’oxydation de cet hydrogène. Actuellement, ces processus nécessitent l’utilisation du platine comme catalyseur (substance qui permet d’accélérer une réaction chimique). Cependant, ce métal est extrêmement rare (abondance terrestre de l’ordre de 5 ppm, équivalente à celle de l’or) et donc très coûteux. S’affranchir du platine et mettre au point des catalyseurs efficaces ne contenant que des éléments abondants et bon marché constitue ainsi un enjeu majeur pour l’avenir de la filière hydrogène.

Dans une précédente étude, des chercheurs de l’Irig (en collaboration avec l’Iramis et le CEA-Liten (avaient combiné nanosciences et chimie bio-inspirée pour élaborer un matériau capable de catalyser sans platine aussi bien la production d’hydrogène que son utilisation dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Ils étaient parvenus à immobiliser un catalyseur bio-inspiré à base de nickel, via un greffage par liaison covalente sur des nanotubes de carbone faisant office de matériaux d’électrode.
Pour aller plus loin, ils ont développé dans le cadre d’une nouvelle collaboration, un autre type de matériau hydride combinant ce même type de catalyseur moléculaire bio-inspiré avec de l’acide graphénique comme matériau d’électrode nanostructuré. Le catalyseur bio-inspiré utilisé est directement inspiré de la structure du site actif des hydrogénases (Figure 1) auquel il emprunte à la fois un ion nickel et des amines pendantes. C'est entre l’une d’elles et l'ion nickel que la molécule d’hydrogène est activée (Figure 2). Le travail réalisé a consisté à étudier l’interaction de l’acide graphénique, porteur de nombreux groupements carboxyliques pouvant effectuer des ponts salins, avec les motifs guadinidium installés sur le catalyseur bio-inspiré (Figure 2). Les chercheurs ont également optimisé la charge catalytique au sein du matériau hybride afin de maximiser l’activité catalytique d’oxydation de l’hydrogène.

Figure 1 - Site catalytique de deux hydrogénases.

Figure 2 - Représentation schématique du catalyseur bio-inspiré intégré au matériau hybride déposé sur une couche de diffusion gazeuse. Le catalyseur moléculaire bio-inspiré est greffé à de l’acide graphénique via des ponts salins qui se forment entre les groupements carboxyliques (en rose) de l’acide graphénique et les motifs guadinidium (en bleu) du catalyseur bio-inspiré.

Le nouveau matériau hydride ainsi mis au point présente des performances catalytiques records, supérieures à celles obtenues précédemment en faisant appel à un matériau à base de nanotubes de carbone. Cette étude a montré que ces performances, bien que trente fois plus faibles que celle du platine, étaient directement liées à la charge catalytique et qu'il était donc possible d’augmenter celle-ci en fabriquant des électrodes plus épaisses. Cependant, il s’est avéré difficile de fabriquer de telles couches d'acide graphénique qui soient à la fois mécaniquement stables et conservent une nanostructure, et donc des propriétés, inchangées.

Pour atteindre les objectifs des projets CRESCENDO et BioPAC, les chercheurs étudient donc maintenant de nouvelles formulations composites contenant notamment du Nafion™ en vue de leur intégration dans des piles à combustibles sans métaux nobles.