La mise au point d’une cellule photoélectrochimique passe par l’élaboration de photoanodes (oxydation de l’eau générant des électrons) et de photocathodes (qui récupèrent les électrons pour transformer l’eau en hydrogène). Ces électrodes doivent associer des activités de collecte de lumière, de séparation de charge et de catalyse, et constituent des objectifs technologiques d’une très grande complexité. Pour l’anode, l’énergie des photons du soleil est nécessaire car la réaction d’oxydation de l’eau est thermodynamiquement défavorable. Pour la cathode, les photons sont aussi nécessaires car les électrons n’ont pas un potentiel suffisamment réducteur pour réduire les protons. Cette double entrée de photons est retrouvée dans le processus naturel de la photosynthèse où l’oxydation de l’eau passe par la collecte des photons du soleil au niveau du photosystème II et où les électrons produits en bout de chaîne sont ré-énergisés par des photons au niveau du photosystème I afin de les rendre réactifs pour la réduction du NAD puis du CO2 ou de l’eau.
Dans ce cours sont discutés les systèmes moléculaires bioinspirés les plus récents pour la photoréduction des protons en hydrogène (matériaux actifs potentiels de photocathodes), le plus souvent assemblages d’une molécule photosensibilisatrice et d’un complexe métallique (métaux non nobles) pour la catalyse de réduction de l’eau. Les exemples suivants sont plus particulièrement développés : (i) cobaloximes ou complexes dinucléaires de fer (modèles du site actif des hydrogénases à fer) associés à des photosensibilisateurs de type Ru(diimine)3, Ir(diimine), Re(phen) (CO)3, colorants organiques (éosine, rose de Bengal), porphyrine de Zn ; (ii) systèmes enzymatiques purifiés combinant une hydrogénase pour la catalyse et le photosystème I ; (iii) les premières photocathodes solides à base de nanoparticules photosensibilisatrices (quantum dots) fonctionnalisées avec des catalyseurs de synthèse et fixées sur des électrodes d’or.
