Les chercheurs ont mis au point un système photosynthétique artificiel efficace qui imite un chloroplaste naturel, convertissant le dioxyde de carbone de l’eau en méthane à l’aide de la lumière. Cette percée pourrait contribuer à la neutralité carbone en créant un carburant neutre en carbone, en surmontant les défis passés avec la stabilité du photosensibilisateur et la sélectivité dans l’eau.
Une équipe de recherche conjointe de la City University of Hong Kong (CityU) et des collaborateurs ont récemment développé un système photocatalytique artificiel stable qui est plus efficace que le naturel photosynthèse. Le système nouvellement développé, qui reproduit un chloroplaste naturel, est capable de transformer le dioxyde de carbone dans l’eau en méthane, un carburant utile, très efficacement en utilisant la lumière. Cela représente une percée importante avec des contributions potentielles à l’atteinte de la neutralité carbone.
Pour le contexte, la photosynthèse est le mécanisme par lequel les chloroplastes des plantes et de certains organismes utilisent la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone pour produire de la nourriture ou de l’énergie. Au cours des dernières décennies, de nombreux chercheurs se sont efforcés de créer des procédés synthétiques de photosynthèse dans le but de convertir le dioxyde de carbone en carburant neutre en carbone.
« Cependant, il est difficile de convertir le dioxyde de carbone en eau car de nombreux photosensibilisateurs ou catalyseurs se dégradent dans l’eau », a expliqué le professeur Ye Ruquan, professeur agrégé au département de chimie de CityU, l’un des responsables de l’étude conjointe. « Bien qu’il ait été démontré que les cycles photocatalytiques artificiels fonctionnent avec une efficacité intrinsèque plus élevée, la faible sélectivité et stabilité dans l’eau pour la réduction du dioxyde de carbone ont entravé leurs applications pratiques. »
Un système photocatalytique à auto-assemblage hiérarchique (à gauche) imite l’appareil de photosynthèse naturelle d’une bactérie violette, appelée Rhodobacter sphaeroides (à droite), atteignant une efficacité solaire-carburant de 15 % lors de la conversion du dioxyde de carbone en méthane. Crédit : (à gauche) Groupe de recherche du professeur Ye Ruquan / City University of Hong Kong et (à droite) Biophysical Journal, 99:67-75, 2010
Dans la dernière étude, l’équipe de recherche conjointe de CityU, de l’Université de Hong Kong (HKU), de l’Université de Jiangsu et de l’Institut de chimie organique de Shanghai de l’Académie chinoise des sciences a surmonté ces difficultés en utilisant une approche d’assemblage supramoléculaire pour créer un système photosynthétique artificiel. Il imite la structure des chromatophores collecteurs de lumière d’une bactérie violette (c’est-à-dire des cellules qui contiennent des pigments), qui sont très efficaces pour transférer l’énergie du soleil.
Le cœur du nouveau système photosynthétique artificiel est une nanomicelle artificielle hautement stable – une sorte de polymère qui peut s’auto-assembler dans l’eau, avec à la fois une extrémité aimant l’eau (hydrophile) et une extrémité craignant l’eau (hydrophobe). La tête hydrophile de la nanomicelle fonctionne comme un photosensibilisateur pour absorber la lumière du soleil, et sa queue hydrophobe agit comme un inducteur pour l’auto-assemblage.
Lorsqu’il est placé dans l’eau, les nanomicelles s’auto-assemblent grâce à la liaison hydrogène intermoléculaire entre les molécules d’eau et les queues. L’ajout d’un catalyseur au cobalt entraîne une production d’hydrogène photocatalytique et une réduction du dioxyde de carbone, entraînant la production d’hydrogène et de méthane.
Le professeur Ye Ruquan (au premier rang, au centre), professeur associé au département de chimie et son équipe de recherche à la City University of Hong Kong. Crédit : Université de la ville de Hong Kong
À l’aide de techniques d’imagerie avancées et d’une spectroscopie ultrarapide, l’équipe a dévoilé les caractéristiques atomiques du photosensibilisateur innovant. Ils ont découvert que la structure spéciale de la tête hydrophile de la nanomicelle, ainsi que la liaison hydrogène entre les molécules d’eau et la queue de la nanomicelle, en font un photosensibilisateur artificiel stable et compatible avec l’eau, résolvant le problème classique d’instabilité et d’incompatibilité avec l’eau de la photosynthèse artificielle. L’interaction électrostatique entre le photosensibilisateur et le catalyseur au cobalt, et le fort effet d’antenne de collecte de lumière de la nanomicelle ont amélioré le processus photocatalytique.
Dans l’expérience, l’équipe a découvert que le taux de production de méthane était supérieur à 13 000 μmol h−1 g−1, avec un rendement quantique de 5,6 % sur 24 heures. Il a également atteint un taux d’efficacité solaire-carburant très efficace de 15 %, dépassant la photosynthèse naturelle.
Plus important encore, le nouveau système photocatalytique artificiel est économiquement viable et durable, car il ne repose pas sur des métaux précieux coûteux. « L’auto-assemblage hiérarchique du système offre une stratégie ascendante prometteuse pour créer un système photocatalytique artificiel haute performance contrôlé avec précision basé sur des éléments bon marché et abondants sur Terre, comme des complexes de porphyrine de zinc et de cobalt », a déclaré le professeur Ye.
Formation d’une nanomicelle renforcée par une liaison hydrogène et sa production d’hydrogène et réduction du dioxyde de carbone sous l’énergie solaire. Crédit : Groupe de recherche du professeur Ye Ruquan / City University of Hong Kong
Le professeur Ye a déclaré qu’il pensait que la dernière découverte bénéficierait et inspirerait la conception rationnelle des futurs systèmes photocatalytiques pour la conversion et la réduction du dioxyde de carbone à l’aide de l’énergie solaire, contribuant ainsi à l’objectif de neutralité carbone.
Les premiers auteurs sont le Dr Yu Junlai, de l’Institut de chimie organique de Shanghai, et le Dr Huang Libei, CityU Ph.D. Les auteurs correspondants sont le professeur Ye, le professeur David Lee Philips, de HKU, le professeur Du Lili, de l’Université de Jiangsu, et le professeur Tian Jia, de l’Institut de chimie organique de Shanghai.
L’étude a été soutenue par diverses sources de financement, notamment la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le Fonds de recherche fondamentale et appliquée du Guangdong, le programme scientifique et technologique de Shenzhen et le Hong Kong Research Grant Council.
