Vers la photosynth├Ęse artificielle : des catalyseurs bioinspir├ęs (cours du 27 mai 2009)

L’énergie est le grand défi de l’humanité du XXIe siècle. L’augmentation de la population mondiale, la croissance économique des grands pays de la planète, la disparition programmée des sources d’énergie non renouvelables (pétrole, charbon, gaz et même uranium), enfin la nécessité de limiter la production des gaz à effet de serre nous obligent à l’innovation en matière de technologies de l’énergie, et ce de façon urgente. Cette innovation viendra d’un couplage toujours plus important entre recherche fondamentale et recherche technologique. Tout semble indiquer que même si nos sources d’énergie seront diversifiées dans le futur, bien plus qu’elles ne le sont aujourd’hui, le soleil est le seul à même de fournir l’énergie nécessaire à l’humanité d’une façon propre, durable, pendant des milliards d’années. L’une des contributions les plus fascinantes du monde vivant à ces questions réside dans la photosynthèse qui, justement, transforme très efficacement l’énergie solaire en carburants chimiques (sucres) en utilisant l’eau comme source d’électrons. L’eau est une molécule très stable et un mauvais réducteur. Elle nécessite d’être activée. Certains organismes vivants (cyanobactéries, algues, plantes) ont inventé un catalyseur unique et totalement conservé, à base de manganèse et de calcium, pour coupler deux molécules d’eau déprotonées et les oxyder en oxygène moléculaire. Les structures du photosystème et du site MnCa ont été présentées, permettant de proposer des mécanismes pour l’oxydation de l’eau. La compréhension de cette chimie et la mise au point de catalyseurs possédant les mêmes propriétés chimiques que le site MnCa du photosystème, pour des applications dans le domaine de l’énergie, ont conduit depuis des années les chimistes à mettre en œuvre une approche bio-inspirée pour préparer des complexes de coordination capables de fixer l’eau et l’oxyder en oxygène. L’histoire de cette recherche a été présentée de façon complète en discutant successivement des complexes biomimétiques polynucléaires de manganèse, puis les complexes mono- et poly-nucléaires de ruthénium, enfin des derniers matériaux à base de d’oxydes de cobalt proposés par D. Nocera au MIT (Science 2008 321 1072).