Le changement climatique et la crise énergétique qui résulte de l’abandon progressif des ressources fossiles constituent de vrais défis pour l’humanité. Dans ce contexte, l’utilisation de l’hydrogène moléculaire (H2) pourrait être une alternative potentielle aux combustibles fossiles pour déployer un système énergétique sans émission nette. L’hydrogène permet en effet de stocker lors de sa production par électrolyse à partir d’eau une grande quantité d'énergie dans sa liaison chimique. Plus important encore, l'utilisation de l’hydrogène dans une pile à combustible pour produire de l'électricité co-génère de la chaleur et ne produit que de l'eau comme sous-produit. Par conséquent, la production d’hydrogène en utilisant une source d’énergie renouvelable est une technologie très prometteuse et les rapports prospectifs récent prédisent un déploiement massif de ces technologies de production d’«hydrogène vert ». L’électrolyse de l’eau consiste à utiliser de l'électricité pour décomposer l’eau en oxygène (O2) et hydrogène(H2). La nature multi-électronique de cette réaction entraîne une cinétique lente et des catalyseurs sont nécessaires pour pouvoir la réaliser avec un bon rendement énergétique et une forte puissance. Ces catalyseurs doivent être bon marché, actifs, stables et présenter un faible impact environemental. Les enzymes hydrogénases sont des catalyseurs naturels qui réalisent la production d’hydrogène à partir d'eau avec un excellent rendement à des potentiels proches des valeurs thermodynamiques en utilisant des métaux de transition 3d abondants. Ces enzymes sont donc de bons cndidats pour des applications de production biotechnologiques de production d’hydrogène vert. En parallèle, les sites actifs de ces enzymes sont une source d’inspiration pour le développement de catalyseurs synthétiques pour les mêmes applications. Aujourd’hui, ces recherches se structurent autour de trois approches complémentaires : (i) mieux comprendre le fonctionnement des hydrogénases et développer leurs applications. (ii) utiliser cette connaissance pour développer des catalyseurs bio-inspirés plus performants et les faire fonctionner dans des dispositifs expérimentaux de production de H2 par électrolyse de l'eau. (iii) Évaluer l'empreinte environnementale des catalyseurs développés. Ma thèse visait à contribuer aux trois points susmentionnés comme suit : Dans les articles I, II et III, nous nous sommes concentrés sur le développement de catalyseurs bio-inspirés à base de matrices polymères et en les optimisant pour fabriquer des matériaux d'électrode pouvant être intégrés en dispositifs et en évaluant leur empreinte environnementale. Ces 3 articles concernent donc les points (ii) et (iii) décrits précédemment. Dans le chapitre IV, nous avons exploré un système biohybride en préparant et en caractérisant des hydrogénases à fer semi-synthétiques. L'analyse détaillée fournit des informations précieuses pour la conception de catalyseurs bioinspirés pour la conversion H+/H2. Par exemple, le remplacement d'un ligand cyanure par un ligand CO dans le site actif difer a donné lieu à une hydrogénase semi-synthétique présentant des propriétés très différentes (activité, sensibilité aux inhibiteurs, etc.) selon la matrice protéique hôte. Les connaissances acquises tout au long de ce travail de thèse nous incitent à poursuivre cette démarche de bio-inspiration dans la recherche d'un catalyseur idéal. L'approche basée sur l’élaboration de métallo-polymères est prometteuse mais la conception de sites catalytiques actifs et robustes est cruciale. Enfin, l'évaluation de l'empreinte environnementale du produit est essentielle dans une perspective de durabilité.

Contact : Vincent Artero