Une feuille artificielle brasse du carburant liquide à partir de dioxyde de carbone

Jun 10, 2023

L’idée de la photosynthèse artificielle est séduisante: des dispositifs qui pourraient absorber la lumière du soleil et le dioxyde de carbone, puis, en présence d’eau, produire des carburants. Les conceptions ont évolué de systèmes en 2011 qui divisent l’eau pour produire des carburants à hydrogène à des systèmes plus récents et plus complexes qui visaient à réduire le dioxyde de carbone en l’utilisant pour créer des carburants à base de carbone.

Mais ça a été lent. Au fil des ans, les chercheurs ont réussi à fabriquer des systèmes qui produisent efficacement de l’hydrogène et ont plus récemment conçu un système capable de produire du gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène utilisé pour fabriquer d’autres produits comme le méthanol. Mais un appareil capable de brasser directement des carburants liquides utiles a échappé aux chercheurs jusqu’à présent.

Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont maintenant fabriqué la première feuille artificielle capable de convertir le dioxyde de carbone en carburants liquides, le propanol et l’éthanol. Alors que d’autres ont déjà démontré la conversion électrique du dioxyde de carbone en carburants, les nouveaux travaux rapportés dans la revue Nature Energy constituent une avancée clé dans l’utilisation de la lumière du soleil pour produire directement des carburants propres et utiles à partir de dioxyde de carbone en une seule étape.

Les scientifiques du monde entier tentent de fabriquer des combustibles solaires afin d’embouteiller l’énergie solaire pour l’utiliser plus tard et d’éliminer les émissions de dioxyde de carbone de l’atmosphère. La photosynthèse artificielle entre dans cette vaste catégorie et peut être réalisée en utilisant plusieurs approches. L’une est la photocatalyse, dans laquelle la lumière du soleil brille directement sur un catalyseur entraîné par la lumière comme le dioxyde de titane qui déclenche les réactions chimiques pour réduire le dioxyde de carbone et fendre l’eau.

L’équipe de Cambridge a plutôt adopté une approche photoélectrochimique, explique Motiar Rahaman, membre de l’équipe et chercheur en chimie à Cambridge. Cette approche implique une cellule avec des photoélectrodes semi-conductrices qui absorbent la lumière du soleil et produisent de l’électricité, ce qui alimente une réaction chimique entraînée par un catalyseur. En 2019, le professeur de chimie de Cambridge, Erwin Reisner, et ses collègues ont fabriqué le premier dispositif à feuilles artificielles de ce type, qui produisait du gaz de synthèse, suivi en 2022 d’une version flottante légère d’un tel dispositif.

Chacun de ces dispositifs possède une cathode composée d’une pérovskite photovoltaïque et d’un catalyseur au cobalt, et une anode en vanadate de bismuth photocatalyseur. Lorsque l’appareil est immergé dans l’eau, le vanadate de bismuth absorbe la lumière du soleil et déclenche le processus de division de l’eau à l’anode. Pendant ce temps, à la cathode, la pérovskite génère de l’électricité, ce qui entraîne le catalyseur de cobalt pour réduire le dioxyde de carbone et produire du gaz de synthèse.

Rahaman, Reisner et l’équipe ont maintenant amélioré le dispositif avec un catalyseur spécial qu’ils ont formulé, ce qui permet au dispositif de produire des alcools multicarbonés au lieu de gaz de synthèse. Le cuivre est le seul métal connu qui peut former des produits multicarbonés à partir de dioxyde de carbone, dit Rahaman, mais le processus nécessite beaucoup d’énergie. Les chercheurs l’ont donc dopé au palladium pour fabriquer un catalyseur bimétallique cuivre-palladium qui « fait ce travail à faible potentiel, nécessitant peu d’énergie ».

Une feuille artificielle est testée en étant soumise à une irradiation solaire à l’intérieur d’un photoréacteur. Motiar Rahaman

L’appareil s’active et commence à produire les alcools – avec un rapport de un pour un de propanol à éthanol – presque immédiatement lorsqu’il est immergé dans l’eau sous la lumière du soleil. Les chercheurs ont laissé la réaction fonctionner pendant 20 heures en laboratoire, puis ont séparé l’alcool du réacteur.

Il en est encore à ses débuts, dit Rahaman, et l’appareil est minuscule – seulement 5 millimètres de côté. Il ne produit que des microlitres d’alcool par centimètre carré. Mais l’équipe travaille à améliorer l’efficacité de l’appareil en optimisant les matériaux absorbeurs de lumière pour récolter plus de lumière solaire et en peaufinant le catalyseur pour convertir plus de dioxyde de carbone en carburant. Ils prévoient également de mettre à l’échelle l’appareil afin qu’il puisse produire de plus grands volumes de carburant.

« L’appareil est encore petit parce que nous venons d’inventer la technologie », dit-il. « Nous obtenons maintenant des alcools en quantités de microlitres. Mais nous avons inventé la science. Maintenant, ce sera un effort d’ingénierie technique pour atteindre une plus grande échelle. Si nous augmentons la surface, la quantité de produit augmentera. »

Cet article a été mis à jour le 5 juin 2023.