Le groupe de recherche junior de Lars Mohrhusen vise à développer de nouveaux catalyseurs pour la conversion du dioxyde de carbone. Les échantillons de catalyseur (comme la plaque carrée grise au milieu du support) sont examinés dans des chambres à vide à l'aide de diverses méthodes analytiques. Crédit : Université d’Oldenbourg / Marcus Windus
Un jeune groupe de recherche allemand étudie comment convertir le dioxyde de carbone en utilisant la lumière du soleil.
Un nouveau groupe de recherche junior de l'Université d'Oldenbourg, dirigé par le chimiste Lars Mohrhusen, se concentre sur la transformation du dioxyde de carbone en produits chimiques utiles en utilisant l'énergie solaire. Cette équipe internationale se consacre à une stratégie doublement durable, visant à créer des catalyseurs exempts de métaux précieux qui exploitent la lumière du soleil pour activer ce gaz à effet de serre autrement inerte.
Le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) a approuvé un financement de 2,6 millions d'euros pour le projet Su2nCat-CO2 au cours des six prochaines années dans le cadre de son programme de financement SINATRA (pour les groupes de recherche juniors axés sur la « Photosynthèse artificielle » et « l'utilisation de matières premières alternatives pour la production d'hydrogène »).
Commentant le projet, le professeur Ralph Bruder, président de l'université d'Oldenbourg, a déclaré : « Les travaux du nouveau groupe de recherche junior visent à trouver des matériaux peu coûteux et durables pour remplacer les catalyseurs en métaux précieux actuellement utilisés. L'engagement financier du BMBF reconnaît la vaste expertise interdisciplinaire de l'Université d'Oldenburg dans les domaines de la catalyse et des nanomatériaux et souligne la grande importance de cette recherche pour la société.
Catalyseurs sans métaux précieux
Mohrhusen et son équipe se concentreront sur le développement de matériaux catalytiques basés sur des composants facilement disponibles et peu coûteux tels que le dioxyde de titane. L’objectif est de trouver des moyens très efficaces sur le plan énergétique pour convertir le dioxyde de carbone, gaz à effet de serre, en composés tels que le méthanol, le formaldéhyde ou l’éthylène, qui peuvent être utilisés par l’industrie chimique, par exemple dans la fabrication de plastiques ou de carburants synthétiques. « La conversion de substances telles que le dioxyde de carbone implique généralement des catalyseurs contenant des métaux précieux, qui nécessitent souvent une pression et des températures élevées pendant leur fonctionnement », explique Mohrhusen. Outre les grandes quantités d’énergie nécessaires pour créer les conditions propices au déclenchement d’une réaction, ces matériaux présentent souvent l’inconvénient d’être coûteux et peu durables. Les impuretés présentes dans l'alimentation gazeuse, par exemple, peuvent facilement « empoisonner » le matériau du catalyseur, le rendant ainsi moins actif avec le temps, souligne le chimiste.
L'équipe de Mohrhusen prévoit d'étudier deux types différents de matériaux catalyseurs hybrides dans des systèmes modèles. Pour cela, ils créeront des combinaisons de dioxyde de titane et de nanoparticules semi-métalliques comme première classe de matériaux, et de structures organiques sur des surfaces d'oxydes comme seconde classe. Dans la prochaine étape, les chercheurs utiliseront diverses techniques pour caractériser les systèmes au niveau atomique, un processus qui nécessite généralement des conditions d’ultravide. Les deux classes de matériaux seront des photocatalyseurs, ce qui signifie qu’ils deviennent catalytiquement actifs lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Leur exposition à la lumière du soleil génère des porteurs de charge – des électrons chargés négativement et des « lacunes » chargées positivement, appelées « trous » – qui peuvent ensuite réagir chimiquement avec le dioxyde de carbone. « Sur la base de ces modèles de catalyseurs, nous visons à acquérir une compréhension détaillée, au niveau atomique, des propriétés des matériaux qui améliorent la réactivité ainsi que la stabilité de ces systèmes », explique Mohrhusen. Cela peut être très difficile dans les conditions techniques qui prévalent dans les grands réacteurs, explique-t-il.
Tests en microréacteurs
Dans un troisième sous-projet, l'équipe prévoit de concevoir des microréacteurs pour tester les catalyseurs modèles dans des conditions plus réalistes. Il s'agira de placer les matériaux catalyseurs dans une atmosphère gazeuse – une combinaison de dioxyde de carbone, d'hydrogène et d'eau, par exemple – dans une chambre spéciale et de les irradier simultanément avec de la lumière. Les chercheurs analyseront la formation de produits de réaction au cours du processus et pourront également examiner les matériaux catalyseurs pour déceler les changements structurels provoqués par la réaction une fois les tests terminés.
Mohrhusen a étudié la chimie à l'Université d'Oldenburg, où il a obtenu sa licence en 2014 et sa maîtrise en 2016. Il a également obtenu son doctorat à Oldenburg en 2021, dans le groupe Nanophotonique et chimie des surfaces dirigé par le professeur Katharina Al-Shamery. En tant que postdoctorant, il a passé environ trois ans à mener des recherches à l'Université Harvard (États-Unis) et Université d'Aarhus (Danemark).
La Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, l'Université de Leiden (Pays-Bas), l'Université d'Aarhus (Danemark), la Université de Floride (USA), et les deux sociétés Evonik et Leiden Probe Microscopy soutiennent le projet de Mohrhusen en tant que partenaires associés. La ligne de financement du BMBF destinée aux groupes de recherche juniors permet à des chercheurs exceptionnels en début de carrière de créer leurs propres groupes de recherche et de travailler sur des projets innovants tout en faisant progresser leur carrière vers une chaire ou d'autres postes universitaires de premier plan.
La recherche a été financée par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche.
