La compatibilité des systèmes photocatalytiques artificiels avec l’eau représente un défi majeur. Des chercheurs hongkongais proposent de le surmonter avec un nouveau photocatalyseur hautement stable en présence d’eau. Il convertit le CO2 en méthane avec une efficacité supérieure à celle de la photosynthèse naturelle, et ce avec des matériaux bon marché. Le dispositif constitue une avancée de plus dans le but d’atteindre les objectifs de neutralité carbone pour la production énergétique.
La photosynthèse est un processus commun aux plantes et aux organismes dotés de chloroplastes ou d’organites équivalents. Dans son ensemble, le processus consiste à diviser les molécules d’eau et à capturer et réduire le CO2 atmosphérique, par le biais d’un complexe d’interaction de particules au sein de laquelle les photons servent de catalyseur.
Depuis des décennies, les scientifiques cherchent à reproduire l’incroyable efficacité de la photosynthèse à convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique. Dans cette vision, les solutions de conversion du CO2 atmosphérique en carburant ont connu de grandes avancées. Dans le contexte actuel de lutte contre le réchauffement climatique, ces efforts ont pris de l’ampleur, car la neutralité carbone est devenue un enjeu prioritaire.
Récemment, les scientifiques ont démontré que les systèmes photocatalytiques artificiels pouvaient surpasser ceux naturels en matière de rendement énergétique. Cependant, ces systèmes comportent des limites, telles que leur incompatibilité avec l’eau. En effet, il est particulièrement difficile de convertir le CO2 en présence de l’eau, car la plupart des photosensibilisateurs ou catalyseurs artificiels se dégradent facilement dans l’eau. Ye Ruquan, professeur de chimie à la City University de Hong Kong, explique que, « bien qu’il ait été démontré que les systèmes 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 autre défi réside également dans la capture et la conversion de l’énergie lumineuse. Ce processus nécessite une séparation rapide et efficace des charges sur des distances macroscopiques, que seuls des matériaux semiconducteurs coûteux et très purs permettent. Dans une nouvelle étude détaillée dans la revue Nature Catalysis, Ruquan et ses collègues suggèrent de surmonter ces défis en proposant un nouveau système photocatalytique compatible avec l’eau et utilisant que des matériaux bon marché.
Un dispositif stable, efficace et bon marché
Le dispositif photocatalytique des chercheurs hongkongais comprend un réseau de nanomicelles artificielles chromatophores sphériques et à grande stabilité, inspirées du photosystème des bactéries pourpres sulfureuses. Le secret de cette stabilité réside dans la capacité de ce type de polymère à posséder une tête hydrophile et une queue hydrophobe. Le pôle hydrophile fonctionne tel un photosensibilisateur capturant la lumière, tandis que la queue agit tel un inducteur permettant à la nanomicelle de s’autoassembler dans l’eau.
En étant immergées dans l’eau, les nanomicelles s’autoassemblent grâce aux liaisons hydrogène entre les molécules d’eau et leurs queues. En ajoutant du cobalt en tant que catalyseur chimique, il se produit une émission d’hydrogène photocatalytique ainsi qu’une réduction du CO2. Les produits finaux de cette réaction sont le méthane et l’hydrogène, qui sont d’intéressantes sources d’énergie. L’interaction électrostatique du photosensibilisateur et du catalyseur avec le cobalt, ainsi que l’efficacité des nanomicelles en tant qu’antennes de collecte de photons, ont amélioré le processus photocatalytique.
En évaluant l’efficacité de son dispositif, l’équipe a découvert que le taux de production de méthane était supérieur à 13 000 micromoles par heure et par gramme de CO2, avec un rendement quantique de 5,6% en 24 heures. Le taux d’efficacité lumière-carburant (la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique) est de 15%, soit nettement plus élevé que la photosynthèse naturelle.
Par ailleurs, la compatibilité du système avec le cobalt constitue un avantage particulièrement intéressant en matière de coûts. « L’autoassemblage hiérarchique du système offre une stratégie prometteuse pour créer un système photocatalytique artificiel haute performance, contrôlé avec précision et basé sur des éléments bon marché et abondants sur Terre, comme des complexes de porphyrine de zinc et de cobalt », explique Ye.
Et bien que la combustion du méthane ne soit pas neutre en carbone, le cycle pourrait être bouclé en recapturant le carbone rejeté. Le dispositif pourrait non seulement être utilisé dans un contexte de décarbonation pour la lutte contre le changement climatique, mais peut-être également dans le cadre de l’exploration spatiale.