La photosynthèse artificielle décodée
Comment le nitrure de carbone sépare l'eau (et permet d'obtenir de l'hydrogène vert)
Les scientifiques cherchent depuis longtemps à comprendre le mécanisme exact de la séparation de l'eau par les catalyseurs à base de nitrure de carbone. Pour la première fois, le Dr Paolo Giusto et son équipe ont capturé les interactions étape par étape à l'interface entre le nitrure de carbone et l'eau, détaillant le transfert de protons et d'électrons de l'eau vers le catalyseur sous l'effet de la lumière. Cette découverte jette les bases d'une optimisation des matériaux catalytiques pour la production d'hydrogène en tant que solution d'énergie renouvelable.
Dans la photosynthèse artificielle, le nitrure de carbone sépare l'eau en oxygène et en hydrogène. Cette nouvelle compréhension du mécanisme est cruciale pour le développement de matériaux plus efficaces permettant de produire de l'hydrogène vert à partir de la lumière du soleil.
© Talha Demir, MPIKG
Les plantes utilisent la lumière pour produire des carburants par photosynthèse, c'est-à-dire en convertissant l'énergie solaire en molécules de sucre. Avec la photosynthèse artificielle, les scientifiques imitent la nature et convertissent la lumière en produits chimiques à haute énergie, à la recherche de carburants durables. Les nitrures de carbone sont depuis longtemps considérés comme des catalyseurs efficaces dans cette quête permanente. Ces composés de carbone et d'azote utilisent la lumière pour décomposer l'eau en ses éléments constitutifs, l'oxygène et l'hydrogène, l'hydrogène représentant une source d'énergie renouvelable prometteuse.
Mais comment fonctionne exactement la séparation de l'eau ?
Pour la première fois, des chercheurs ont saisi toutes les étapes de l'une des réactions les plus étudiées et pourtant les moins bien comprises de la dernière décennie. "Paolo Giusto, chercheur principal à l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces, explique : "Il ne s'agit pas seulement de répondre à une question de longue date dans le domaine de la science fondamentale. "La découverte de l'interaction entre les molécules d'eau et les nitrures de carbone sous l'effet de la lumière fournit des données essentielles pour faire progresser l'énergie verte".
La clé de la résolution de cette énigme scientifique réside dans les processus complexes qui se déroulent lorsque l'eau adhère à la surface du nitrure de carbone. Jusqu'à présent, les différentes échelles de temps des nombreuses réactions impliquées ont rendu difficile l'élaboration d'un tableau complet, et les scientifiques se sont appuyés sur des calculs théoriques et des expériences rétrospectives. Grâce à des techniques spectroscopiques avancées, Giusto et ses collègues ont pris le nitrure de carbone en flagrant délit.
La magie opère à l'interface, c'est-à-dire à la frontière nanoscopique entre le nitrure de carbone solide et les molécules d'eau liquide. Le nitrure de carbone transfère la densité électronique à l'eau, formant un système hybride. "À partir de là, l'eau et le catalyseur agissent comme un nouveau semi-conducteur hybride. C'est comme s'ils s'unissaient pour former une équipe aux propriétés distinctes de celles des éléments individuels", décrit le Dr Sonia Żółtowska.
Cela déclenche d'autres réactions, car le transfert de particules crée un déséquilibre. Dans ce cas, les liaisons chimiques de l'eau commencent à s'affaiblir. Lorsque le nitrure de carbone absorbe la lumière, il utilise l'énergie pour déstabiliser davantage les molécules d'eau par le biais d'un transfert d'électrons couplé à un proton. "Cela signifie un transfert simultané d'un proton chargé positivement et d'un électron chargé négativement de l'eau vers le catalyseur", explique le Dr Daniel Cruz de l'Institut Fritz Haber. Ce composé intermédiaire était la pièce manquante du puzzle de la photosynthèse artificielle : les chercheurs ont enregistré et analysé en temps réel le mécanisme qui décompose finalement l'eau en oxygène et en hydrogène.
Cette découverte se situe au niveau de la chimie de surface, mais elle a de profondes implications pour l'avancement des solutions énergétiques durables. Alors que l'utilisation à grande échelle de l'hydrogène comme alternative aux combustibles fossiles reste un objectif pour l'avenir, cette recherche trace une feuille de route pour affiner les catalyseurs et se rapprocher d'une production efficace d'hydrogène à partir de la décomposition de l'eau.
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.
Publication originale
Autres actualités du département science
