Une méthode alimentée par l'énergie solaire ouvre la voie à une industrie chimique "dé-fossilisée
"Feuille artificielle" avec semi-conducteurs organiques et enzymes bactériennes pour une conversion durable du CO₂ - sans composants toxiques
Des chercheurs ont mis au point une méthode nouvelle et durable pour fabriquer les produits chimiques qui sont à la base de milliers de produits - des plastiques aux cosmétiques - que nous utilisons tous les jours.
Photocathode organique semi-artificielle en fonctionnement
Celine Yeung
Photocathode organique semi-artificielle
Celine Yeung
Des centaines de milliers de produits chimiques sont fabriqués par l'industrie chimique, qui transforme des matières premières - généralement des combustibles fossiles - en produits finis utiles. En raison de sa taille et de son utilisation de matières premières fossiles, l'industrie chimique est responsable d'environ 6 % des émissions mondiales de carbone.
Mais des chercheurs, dirigés par l'université de Cambridge, développent de nouvelles méthodes qui pourraient un jour conduire à la "dé-fossilisation" de ce secteur important.
Ils ont mis au point un dispositif hybride qui associe des polymères organiques capteurs de lumière à des enzymes bactériennes pour convertir la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone en formiate, un carburant qui peut être à l'origine d'autres transformations chimiques.
Leur "feuille semi-artificielle" imite la photosynthèse, le processus utilisé par les plantes pour convertir la lumière du soleil en énergie, et ne nécessite aucune source d'énergie externe. Contrairement aux prototypes précédents, qui reposaient souvent sur des absorbeurs de lumière toxiques ou instables, la nouvelle conception biohybride évite les semi-conducteurs toxiques, dure plus longtemps et peut fonctionner sans produits chimiques supplémentaires qui entravaient auparavant l'efficacité.
Lors des essais, les chercheurs ont utilisé la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone en formiate, puis l'ont utilisé directement dans une réaction chimique "en domino" pour produire un type de composé important utilisé dans les produits pharmaceutiques, avec un rendement et une pureté élevés.
Leurs résultats, publiés dans la revue Joule, montrent que c'est la première fois que des semi-conducteurs organiques sont utilisés pour capter la lumière dans ce type de dispositif biohybride, ce qui ouvre la voie à une nouvelle famille de feuilles artificielles durables.
L'industrie chimique est au cœur de l'économie mondiale, produisant des produits allant des produits pharmaceutiques aux engrais, en passant par les plastiques, les peintures, l'électronique, les produits de nettoyage et les articles de toilette.
"Si nous voulons construire une économie circulaire et durable, l'industrie chimique est un problème important et complexe que nous devons résoudre", a déclaré le professeur Erwin Reisner, du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, qui a dirigé les recherches. "Nous devons trouver des moyens de dé-fossiliser ce secteur important, qui fabrique tant de produits dont nous avons tous besoin. Il s'agit d'une opportunité énorme si nous parvenons à la saisir".
Le groupe de recherche de M. Reisner est spécialisé dans le développement de feuilles artificielles, qui transforment la lumière du soleil en carburants et produits chimiques à base de carbone sans dépendre des combustibles fossiles. Toutefois, bon nombre de leurs conceptions antérieures dépendent de catalyseurs synthétiques ou de semi-conducteurs inorganiques qui se dégradent rapidement, gaspillent une grande partie du spectre solaire ou contiennent des éléments toxiques tels que le plomb.
"Si nous pouvons éliminer les composants toxiques et commencer à utiliser des éléments organiques, nous obtenons une réaction chimique propre et un produit final unique, sans aucune réaction secondaire indésirable", a déclaré le Dr Celine Yeung, coauteur de la première étude, qui a réalisé cette recherche dans le cadre de son doctorat dans le laboratoire de M. Reisner. "Ce dispositif combine le meilleur des deux mondes : les semi-conducteurs organiques sont réglables et non toxiques, tandis que les biocatalyseurs sont hautement sélectifs et efficaces.
Le nouveau dispositif intègre des semi-conducteurs organiques avec des enzymes provenant de bactéries sulfato-réductrices, ce qui permet de diviser l'eau en hydrogène et en oxygène ou de convertir le dioxyde de carbone en formiate.
Les chercheurs ont également relevé un défi de longue date : la plupart des systèmes nécessitent des additifs chimiques, appelés tampons, pour maintenir les enzymes en activité. Ceux-ci peuvent se décomposer rapidement et limiter la stabilité. En intégrant une enzyme auxiliaire, l'anhydrase carbonique, dans une structure poreuse de titane, les chercheurs ont permis au système de fonctionner dans une simple solution de bicarbonate - semblable à de l'eau gazeuse - sans additifs non durables.
"C'est comme un grand puzzle", a déclaré le Dr Yongpeng Liu, coauteur et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Reisner. "Nous avons tous ces composants différents que nous avons essayé de réunir dans un seul but. Il nous a fallu beaucoup de temps pour comprendre comment cette enzyme spécifique est immobilisée sur une électrode, mais nous commençons maintenant à récolter les fruits de ces efforts".
"En étudiant réellement le fonctionnement de l'enzyme, nous avons pu concevoir avec précision les matériaux qui composent les différentes couches de notre dispositif en sandwich", a déclaré Yeung. "Cette conception a permis aux pièces de fonctionner ensemble plus efficacement, depuis la minuscule échelle nanométrique jusqu'à la feuille artificielle complète."
Les tests ont montré que la feuille artificielle produisait des courants élevés et qu'elle était presque parfaitement efficace pour diriger les électrons vers les réactions de fabrication de carburant. Le dispositif a fonctionné avec succès pendant plus de 24 heures, soit plus de deux fois plus longtemps que les modèles précédents.
Les chercheurs espèrent développer davantage leurs conceptions pour prolonger la durée de vie du dispositif et l'adapter afin qu'il puisse produire différents types de produits chimiques.
"Nous avons montré qu'il était possible de créer des dispositifs à énergie solaire qui sont non seulement efficaces et durables, mais aussi exempts de composants toxiques ou non durables", a déclaré M. Reisner. "Il pourrait s'agir d'une plate-forme fondamentale pour la production de carburants et de produits chimiques verts à l'avenir - c'est une véritable occasion de faire de la chimie passionnante et importante.
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