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1Dans le contexte de la transition énergétique et de la recherche de méthodes de stockage de l’énergie solaire, on comprend que ce processus naturel de la photosynthèse, malgré ses rendements limités, constitue une source d’inspiration unique pour le chimiste. Représentant un énorme défi sur le plan fondamental, à cause de la complexité des réactions mises en œuvre, à la fois photochimiques, électrochimiques et catalytiques, « la photosynthèse artificielle » ouvre des perspectives uniques en matière de stockage d’énergie. Ces recherches sont déjà bien avancées mais ne déboucheront sur des dispositifs de production à grande échelle que beaucoup plus tard. Il convient de noter que si l’approche artificielle « bioinspirée » s’impose, c’est en raison des difficultés extrêmes à utiliser l’appareil photosynthétique naturel lui-même en dehors de son contexte cellulaire. Par ailleurs, les futurs dispositifs de photosynthèse artificielle devront, pour des raisons à la fois pratiques et économiques, représenter des versions extrêmement simplifiées de l’appareil photosynthétique naturel, sans effets négatifs sur l’efficacité du système.

2De manière générale, un système photosynthétique artificiel doit être capable (i) d’absorber des photons, idéalement dans le spectre visible (représentant 40% de l’énergie solaire incidente), à l’aide de photosensibilisateurs synthétiques, du type des photosensibilisateurs utilisés par la nature, ou de matériaux semi-conducteurs solides ; (ii) de convertir l’énergie de ce photon en potentiel électrochimique par un processus de séparation de charges photo-induit ; (iii) d’utiliser ce potentiel électrochimique pour oxyder l’eau et réduire les protons ou le CO₂ ; (iv) de catalyser efficacement et sélectivement ces réactions qui sont des processus, par nature, multiélectroniques, donc cinétiquement contraints. L’un des problèmes, parmi d’autres, à résoudre est l’utilisation, pour le développement de ces photosensibilisateurs, semi-conducteurs et catalyseurs, de métaux non nobles (comme le fer, le cobalt, le nickel, le manganèse ou le cuivre), à la place des métaux nobles (platine, or, ruthénium, rhodium, iridium), peu abondants et très chers, généralement utilisés dans les dispositifs technologiques actuels (pile à hydrogène, etc…). Il existe à ce jour une grande variété de tels systèmes photosynthétiques artificiels décrits dans la littérature, sans qu’il soit possible d’identifier avec certitude celui qui aboutira à une application technologique viable. Celui qui a le mieux popularisé cette stratégie, en développant le concept de « feuille artificielle », est le professeur Daniel Nocera, à l’université de Harvard aux États-Unis. Pour la première fois, il a mis au point une cellule photoélectrochimique, à base de métaux non nobles, qui transforme, par simple éclairement solaire, de l’eau en oxygène et en hydrogène, avec un rendement de 4.7%, comparable aux meilleures micro-algues. À la photoanode, la collecte de l’énergie solaire se fait à l’aide d’un semiconducteur à base de silicium et l’oxydation de l’eau est assistée par un catalyseur à base d’oxyde de cobalt. Les électrons « énergétiques » éjectés de l’eau sont récupérés à la cathode où un alliage de nickel, de molybdène et de zinc catalyse la réduction de l’eau en hydrogène. Vincent Artero, au CEA à Grenoble, B. Jousselme (au CEA à Saclay) et moi-même avons fermé le cycle vertueux « eau + énergie solaire → hydrogène (stockage énergétique) → eau + énergie électrique » en montrant qu’il est possible de mettre au point une pile à hydrogène, de la technologie des piles à membrane échangeuse de protons, ne comportant que des métaux non nobles. L’anode porte un matériau très original, issu d’une approche bioinspirée, qui est constitué d’un complexe de nickel greffé à la surface de nanotubes de carbone conducteurs. Ce matériau présente des caractéristiques structurales et fonctionnelles proches de celles du site actif naturel d’une classe d’enzymes, les hydrogénases. Il est particulièrement efficace pour catalyser l’oxydation de l’hydrogène en eau. Les électrons extraits lors de ce processus se déplacent ensuite dans un circuit électrique, qui peut alimenter un dispositif électrique, pour rejoindre une cathode à base de cobalt où ils réduisent l’oxygène en eau. Là encore, si la preuve du concept est faite, il y a encore beaucoup de recherche et d’innovation à réaliser si l’on veut développer de tels systèmes dans un contexte d’une économie à hydrogène. En effet la cellule de Nocera et notre pile ne sont pas encore assez efficaces pour rivaliser avec les dispositifs équivalents fonctionnant avec des métaux nobles. En particulier, les densités de courant et les puissances délivrées doivent être au moins multipliées par un facteur 10 ou 100, et les stabilités des systèmes considérablement augmentées.

3Les difficultés sont encore plus grandes en ce qui concerne la transformation du CO₂, un sujet sur lequel mon laboratoire, chercheurs et étudiants travaillant ensemble, consacre tous ses efforts. En effet, la molécule de CO₂ est particulièrement stable, ce qui impose des énergies (surtensions) considérables. D’autre part, son activation peut conduire à une multitude de produits, ce qui pose la question critique de la sélectivité des catalyseurs et des systèmes à utiliser. Enfin la présence d’eau, réactif nécessaire, conduit également à la formation d’hydrogène, qu’il faut éviter. Nous développons par exemple actuellement des électrodes à base de cuivre, nanostructurées grâce à la mise au point de méthodes innovantes, qui ont l’avantage de transformer le CO₂ presqu’exclusivement en acide formique, un produit utilisé dans l’industrie chimique. On peut penser que les recherches actuelles conduiront assez rapidement à des dispositifs qui transforment le CO₂ en molécules aussi simples que le monoxyde de carbone (CO), l’acide formique (HCOOH), ou le méthanol (CH3OH).

4Le rêve c’est bien sûr d’aller plus loin, avec la production de méthane et d’hydrocarbures plus complexes, et, un jour beaucoup plus lointain, de sucres et de polymères. Ce sont aussi les rêves qui font l’humanité.