L’Institut de Chimie du Collège de France est le regroupement de deux chaires de professeurs et de deux laboratoires associés localisés sur le site Marcelin-Berthelot. Il s’agit d’une part de la chaire Chimie des processus biologiques, occupée par le Pr Marc Fontecave qui dirige le Laboratoire de chimie des processus biologiques, une unité mixte de recherche (UMR 8229 Collège de France-CNRS-Sorbonne Université). Jean-Marie Tarascon, titulaire de la chaire Chimie du solide-énergie, dirige le Laboratoire de chimie du solide et énergie (UMR 8260 Collège de France-CNRS-Sorbonne Université).
À travers cet institut, le Collège de France a l’ambition de porter un pôle de recherche d’excellence en chimie, se positionnant de façon stratégique dans les domaines des nouvelles technologies de l’énergie, en partant de la recherche fondamentale pour aller jusqu’aux applications. Plus particulièrement, l’objectif est de mettre au point des systèmes de stockage d’énergie, à la fois stockage chimique (décomposition de l’eau en oxygène et hydrogène et valorisation du dioxyde de carbone) et stockage électrochimiques (batteries électriques). Cela passe à la fois par la découverte de nouveaux matériaux et de nouveaux catalyseurs (photo- et électro-catalyseurs) efficaces et stables et par la mise au point de nouveaux dispositifs technologiques (piles, batteries, électrolyseurs et photoélectrolyseurs).
À l’interface de la chimie et de la biologie, le laboratoire de M. Fontecave s’intéresse à toute une série de systèmes enzymatiques complexes participant à des réactions métaboliques ou biosynthétiques, biosynthèse de cofacteurs organiques et inorganiques essentiels, biosynthèse de l’hydrogène, modification sélective d’acides nucléiques, pour en comprendre les mécanismes et la structure. La caractérisation structurale de ces assemblages biomoléculaires est au cœur de l’activité du laboratoire, notamment grâce à une plate-forme unique de cristallographie des protéines localisée sur le site du Collège de France. Ces systèmes sont aussi étudiés du point de vue de leurs applications potentielles : cibles thérapeutiques ou biocatalyseurs. Dans le même temps, il développe des approches originales de chimie bioinspirée qui consistent à préparer des catalyseurs, homogènes ou hétérogènes, qui miment les sites actifs des enzymes et métalloenzymes d’intérêt. Sur la base de ce concept, il est possible par exemple de développer des systèmes de « photosynthèse artificielle » pour la production de « carburants solaires ». En utilisant l’énergie solaire pour convertir l’eau en hydrogène ou le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, hydrocarbures et alcools, ces systèmes permettent le stockage des énergies renouvelables intermittentes sous la forme d’énergie chimique.
La chimie du solide joue un rôle majeur dans les développements de l’industrie chimique. Aujourd’hui, les nouveaux matériaux solides doivent être plus sophistiqués, miniaturisés, robustes, recyclables, respectueux de l’environnement, économes en énergie, peu coûteux. J.-M. Tarascon représente ce domaine, plus particulièrement à travers ses recherches innovantes concernant le stockage de l’énergie. Son laboratoire élabore, sur la base de mécanismes réactionnels récemment mis à jour, de nouveaux matériaux bon marché et efficaces pour la mise au point d’électrodes originales à utiliser dans les batteries du futur des véhicules électriques. La version dite « tout solide » des batteries y est également étudiée afin d’en améliorer l’aspect sécuritaire. Par souci d’éco-compatibilité, son groupe s’intéresse également à des technologies alternatives telles que les batteries sodium-ion ou les systèmes Li(Na)-ion aqueux pour des batteries plus « vertes ». Il développe en parallèle le concept de batteries intelligentes. Ce concept, s’inspirant de la médecine, repose sur l’injection de capteurs optiques ainsi que d’agents autoréparants à l’intérieur des batteries afin de leur donner une seconde vie et ainsi réduire leurs empreintes environnementales. Enfin, son laboratoire parie sur l’établissement d’une synergie entre batteries et électrolyseurs. Cela se manifeste par le développement d’électrocatalyseurs pour l’électrolyse de l’eau basés sur de nouveaux principes réactionnels d’intercalation, ainsi que sur l’étude des cinétiques de transfert aux interfaces électrochimiques.
L’Institut de Chimie profite également des compétences des professeurs honoraires Jacques Livage, ancien titulaire de la chaire Chimie de la matière condensée ; Clément Sanchez, ancien titulaire de la chaire Chimie des matériaux hybrides ; et de Jean-Marie Lehn, ancien titulaire de la chaire Chimie des interactions moléculaires.
