Production potentielle de carburants neutres en carbone
Des chimistes parviennent à convertir durablement l'énergie solaire grâce à la photocatalyse artificielle
La conversion de l'énergie solaire en carburants neutres en carbone est une approche prometteuse pour réduire notre dépendance à l'égard des combustibles fossiles et lutter contre le changement climatique. Les plantes et autres organismes photosynthétiques utilisent la lumière du soleil pour créer des composés riches en énergie à partir de l'eau et du dioxyde de carbone (CO2) grâce à un processus biochimique complexe qui se déroule dans des structures spécialisées appelées chloroplastes. Toutefois, l'efficacité de ce processus naturel est limitée par des voies métaboliques qui ont une faible efficacité de conversion de la lumière du soleil en énergie utile. Bien que les cycles photocatalytiques artificiels aient démontré des efficacités intrinsèques plus élevées, ils reposent généralement sur duCO2 pur ou très concentré et des milieux organiques pour empêcher la dégradation du catalyseur causée par l'eau ou les protons.
Des équipes de recherche dirigées par le professeur David Lee PHILLIPS du département de chimie de l'université de Hong Kong (HKU), le professeur Lili DU de l'université de Jiangsu (ancienne doctorante de HKU), le professeur Ruquan YE de l'université de Hong Kong et le professeur Jia TIAN de l'institut de chimie organique de Shanghai ont mis au point un système remarquable et respectueux de l'environnement capable d'exploiter efficacement l'énergie lumineuse dans le cadre du processus photocatalytique. Ce système artificiel est hautement stable et recyclable, et il ne dépend pas de métaux précieux, ce qui le rend plus viable économiquement et plus durable. Les résultats de la recherche ont été récemment publiés en ligne dans la revue scientifique Nature Catalysis.
Contexte et résultats
Dans la nature, les organismes utilisent un processus appelé "auto-assemblage hiérarchique" pour optimiser la récolte de la lumière. Au cours de ce processus, ils organisent les composants photocatalytiques dans un environnement sur mesure fourni par des échafaudages à base de lipides ou de protéines. En atteignant une stabilité, une sélectivité et une efficacité élevées, la photosynthèse repose sur la surface élevée et le contrôle spatial précis des molécules chromophores et des centres catalytiques grâce à l'auto-assemblage, qui offre un principe de conception pour des systèmes photocatalytiques artificiels très efficaces.
Des études récentes ont démontré l'utilisation de vésicules et de micelles formées par le co-assemblage de lipides naturels ou de surfactants synthétiques avec des espèces photocatalytiques. Ces structures agissent comme des microréacteurs, imitant l'environnement des membranes cellulaires. Toutefois, il est difficile de reproduire les supercomplexes naturels de récolte de la lumière par des voies synthétiques et cela est loin d'être rentable.
Conscients des efforts et des défis actuels, l'équipe de la HKU et ses collaborateurs ont conçu un système de nanomicelles sphériques artificielles auto-assemblées dans l'eau, inspiré de l'appareil photosynthétique de Rhodobacter sphaeroides, un type de bactérie que l'on trouve couramment dans le sol et l'eau douce, qui possède une structure spéciale appelée "chromatophore sphérique de récolte de la lumière". Cette structure agit comme un capteur de lumière et possède une capacité remarquable à transférer efficacement l'énergie de la lumière solaire grâce à un effet unique appelé "effet d'antenne sphérique", créé par des arrangements circulaires de molécules spécifiques à la surface du chromatophore. Cela permet à la bactérie de capter et d'utiliser efficacement la lumière du soleil pour ses besoins énergétiques.
Ce système artificiel imite le chromatophore sphérique de la bactérie qui capte la lumière et se compose de minuscules structures sphériques appelées nanomicelles qui sont auto-assemblées dans des solutions aqueuses. Ces nanomicelles constituent les éléments de base du système. Le système utilise des molécules modifiées et des composés absorbant la lumière, connus sous le nom d'"amphiphiles de porphyrine de Zn améliorés par des liants aramides", qui interagissent avec un catalyseur au Co par le biais de forces électrostatiques, ce qui conduit à un assemblage hiérarchique unique. Cet assemblage est donc induit par "l'effet d'antenne sphérique" et améliore le système pour capturer et allumer l'énergie pour les processus photocatalytiques.
L'auto-assemblage hiérarchique du système offre une stratégie ascendante prometteuse pour créer un système photocatalytique artificiel contrôlé avec précision, doté d'une stabilité et d'une efficacité élevées et basé sur des éléments bon marché et abondants sur Terre plutôt que sur des métaux précieux coûteux.
Le professeur David Phillips a déclaré : "Notre recherche pourrait faire progresser les énergies renouvelables en reproduisant les mécanismes naturels efficaces de récolte de la lumière. Cela pourrait conduire à des solutions durables pour nos besoins énergétiques et à la production de carburants neutres en carbone, contribuant ainsi à un avenir plus vert".
Le professeur Lili Du a déclaré : "Le système artificiel auto-assemblé est une étape importante vers l'exploitation du plein potentiel de la conversion de l'énergie solaire. L'amélioration de l'efficacité et de la stabilité photocatalytiques peut permettre de surmonter les limitations et de créer un paysage énergétique plus propre et plus durable. Cette recherche offre des applications pratiques prometteuses dans la production de carburant, la capture du carbone et l'assainissement de l'environnement".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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