L’exploitation de photosystèmes moléculaires et supramoléculaires bio-inspirés ou de biocatalyseurs purifiés (hydrogénases) nécessite que ceux-ci puissent être intégrés de façon stable et durable à des surfaces d’électrode. Cela passe par des méthodes originales de fixation (de préférence covalente) des molécules sur des électrodes peu coûteuses (carbone, oxydes transparents de type ITO, etc.). Les différentes méthodes modernes de greffage, avec exemples, sont discutées : (i) ligands modifiés par des fonctions carboxylates, phosphonates, acetylacetonates, pour la fixation sur des oxydes ; (ii) réduction électrochimique de sels de diazonium ; (iii) électropolymérisation ; (iv) fonctionnalisation de nanotubes de carbone. Un bel exemple de réalisation d’électrode impliquant la mise au point d’un catalyseur original à base de métal non noble efficace et sa fixation sur une électrode est présenté en détail (Science, 2009). Ce résultat a été obtenu au laboratoire de Chimie et biologie des métaux (CEA-CNRS-université J. Fourier, au CEA de Grenoble), en collaboration avec une équipe du laboratoire de Chimie des surfaces et interfaces (CEA de Saclay) et une équipe du laboratoire d’Innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (CEA de Grenoble).
Nous avons pu élaborer, pour la première fois, un matériau capable, dans des dispositifs électrochimiques, de catalyser, comme le fait le platine, aussi bien la production d’hydrogène à partir de l’eau (pour une utilisation dans les électrolyseurs) que son oxydation (pour une utilisation dans les piles à combustible). Ce matériau original est constitué d’un petit complexe de nickel, qui reproduit certaines caractéristiques des hydrogénases, greffé sur des nanotubes de carbone choisis pour leur importante surface potentielle de liaison du catalyseur et pour leur grande conductivité électrique. Déposé sur une électrode, il se révèle extrêmement stable, résistant au CO, et capable de fonctionner, sans surtension, enmilieu très acide ce qui lui permet d’être compatible avec les membranes échangeuses de protons (comme le Nafion), utilisées de manière quasi-universelle dans les piles à combustible. Même si les densités de courant électrique obtenues sont encore faibles, la mise en œuvre de ce nouveau matériau pourrait lever un verrou scientifique majeur pour le développement à grande échelle de l’économie à hydrogène.
