Des chimistes créent un système de « photosynthèse artificielle » dix fois plus efficace que les systèmes existants

26 Novembre 2022 Publié dans #Article scientifique

Des chimistes créent un système de « photosynthèse artificielle » dix fois plus efficace que les systèmes existants

Une découverte de l'Université de Chicago permet de créer du méthane à partir du soleil, du dioxyde de carbone et de l'eau

Louise Lerner, UChicagoNews*

Illustration artistique de molécules se déplaçant sur la surface d'une feuille.

Une étude réalisée par six chimistes de l'Université de Chicago décrit un nouveau système innovant de photosynthèse artificielle, dont la productivité est supérieure d'un ordre de grandeur à celle des systèmes artificiels précédents. Ci-dessus, une illustration artistique du processus.

Illustration de Peter Allen

Au cours des deux derniers siècles, l'homme a compté sur les combustibles fossiles pour obtenir de l'énergie concentrée ; des centaines de millions d'années de photosynthèse concentrées dans une substance pratique et dense en énergie. Mais ces réserves sont limitées et la consommation de combustibles fossiles a un impact négatif considérable sur le climat de la Terre.

« Le plus grand défi que beaucoup de gens ne réalisent pas est que même la nature n'a pas de solution pour la quantité d'énergie que nous utilisons », a déclaré Wenbin Lin, chimiste à l'Université de Chicago. Même la photosynthèse n'est pas très efficace, a-t-il ajouté : « Nous devrons faire mieux que la nature, et c'est effrayant. »

Une option possible que les scientifiques explorent est la « photosynthèse artificielle », c'est-à-dire le remaniement du système d'une plante pour produire nos propres types de carburants. Cependant, l'équipement chimique d'une seule feuille est incroyablement complexe, et il n'est pas si facile de l'utiliser à nos propres fins.

Une étude publiée dans Nature Catalysis par six chimistes de l'Université de Chicago décrit un nouveau système innovant de photosynthèse artificielle, dont la productivité est supérieure d'un ordre de grandeur à celle des systèmes artificiels précédents. Contrairement à la photosynthèse ordinaire, qui produit des glucides à partir de dioxyde de carbone et d'eau, la photosynthèse artificielle pourrait produire de l'éthanol, du méthane ou d'autres carburants.

Bien qu'il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que cette méthode ne devienne un moyen de faire le plein de votre voiture tous les jours, elle offre aux scientifiques une nouvelle voie à explorer et pourrait être utile à plus court terme pour la production d'autres substances chimiques.

« Il s'agit d'une amélioration considérable par rapport aux systèmes existants, mais ce qui est tout aussi important, c'est que nous avons été en mesure d'expliquer très clairement le fonctionnement de ce système artificiel au niveau moléculaire, ce qui n'avait jamais été fait auparavant », a déclaré Lin, professeur de chimie James Franck à l'Université de Chicago et auteur principal de l'étude.

Nous aurons besoin d'autre chose

« Sans la photosynthèse naturelle, nous ne serions pas là. Elle a produit l'oxygène que nous respirons sur Terre et elle produit la nourriture que nous mangeons », a déclaré Lin. « Mais elle ne sera jamais assez efficace pour fournir le carburant qui nous permet de rouler en voiture ; il nous faudra donc autre chose. »

Le problème est que la photosynthèse est construite pour créer des hydrates de carbone, qui sont parfaits pour nous alimenter, mais pas pour nos voitures, qui ont besoin d'une énergie beaucoup plus concentrée. Les chercheurs qui cherchent à créer des alternatives aux combustibles fossiles doivent donc réorganiser le processus pour créer des combustibles plus denses en énergie, comme l'éthanol ou le méthane.

Dans la nature, la photosynthèse est réalisée par plusieurs assemblages très complexes de protéines et de pigments. Ils absorbent de l'eau et du dioxyde de carbone, dissocient les molécules et réarrangent les atomes pour produire des hydrates de carbone, une longue chaîne de composés hydrogène-oxygène-carbone. Les scientifiques doivent cependant retravailler les réactions pour produire un arrangement différent, où seul l'hydrogène entoure un noyau de carbone juteux (juicy – sic), le CH₄, également connu sous le nom de méthane.

Ce remaniement est beaucoup plus délicat qu'il n'y paraît ; cela fait des dizaines d'années que l'on y travaille, en essayant de se rapprocher de l'efficacité de la nature.

Lin et son équipe de laboratoire ont pensé qu'ils pourraient essayer d'ajouter quelque chose que les systèmes de photosynthèse artificielle n'ont pas inclus jusqu'à présent : des acides aminés.

L'équipe a commencé par un type de matériau appelé cadre organométallique ou MOF [metal-organic framework], une classe de composés constitués d'ions métalliques maintenus ensemble par des molécules de liaison organiques. Ils ont ensuite conçu les MOF en une seule couche, afin de fournir une surface maximale pour les réactions chimiques, et ont immergé le tout dans une solution comprenant un composé de cobalt pour faire circuler les électrons. Enfin, ils ont ajouté des acides aminés aux MOF et ont fait des expériences pour déterminer lesquels fonctionnaient le mieux.

Le plus grand défi que beaucoup de gens ne réalisent pas est que même la nature n'a pas de solution pour la quantité d'énergie que nous utilisons.

Pr Wenbin Lin

Ils ont pu apporter des améliorations aux deux moitiés de la réaction : le processus qui décompose l'eau et celui qui ajoute des électrons et des protons au dioxyde de carbone. Dans les deux cas, les acides aminés ont permis à la réaction de se dérouler plus efficacement.

Cependant, même avec des performances nettement améliorées, la photosynthèse artificielle a encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir produire suffisamment de carburant pour pouvoir être utilisée à grande échelle. « Là où nous en sommes aujourd'hui, il faudrait augmenter le rendement de plusieurs ordres de grandeur pour produire une quantité suffisante de méthane pour notre consommation », a déclaré Lin.

La percée pourrait également être appliquée largement à d'autres réactions chimiques ; il faut fabriquer beaucoup de carburant pour qu'elle ait un impact, mais des quantités beaucoup plus petites de certaines molécules, comme les matières premières pour fabriquer des produits pharmaceutiques et des nylons, entre autres, pourraient être très utiles.

« Tant de ces processus fondamentaux sont les mêmes », a déclaré Lin. « Si vous développez de bonnes chimies, elles peuvent être branchées sur de nombreux systèmes. »

Les scientifiques ont utilisé des ressources de l'Advanced Photon Source, un synchrotron situé au laboratoire national Argonne du Département Américain de l'Énergie, pour caractériser les matériaux.

Les co-premiers auteurs de l'article sont Guangxu Lan (PhD'20, actuellement à l'Université de Pékin), Yingjie Fan, étudiante diplômée, et Wenjie Shi (étudiant invité, actuellement à l'Université de Technologie de Tianjin). Les autres auteurs de l'article sont Eric You (BS'20, actuellement étudiant diplômé au MIT) et Samuel Veroneau (BS'20, actuellement étudiant en doctorat à l'Université de Harvard).

Citation : « Biomimetic active sites on monolayered metal–organic frameworks for artificial photosynthesis (sites actifs biomimétiques sur des cadres organométalliques monocouches pour la photosynthèse artificielle). Lan et al, Nature Catalysis, 10 novembre 2022.

Financement : Université de Chicago, Fondation Nationale des Sciences, Conseil Chinois des Bourses d'Études.

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* Source : Chemists create an 'artificial photosynthesis' system that is 10 times more efficient than existing systems (uchicago.edu)

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