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

L'idée de la photosynthèse artificielle est séduisante : des appareils qui pourraient absorber la lumière du soleil et le dioxyde de carbone, puis, en présence d'eau, produire des carburants. Les conceptions sont passées de systèmes en 2011 qui divisaient l'eau pour produire des carburants à base d'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. Les chercheurs ont, au fil des ans, réussi à fabriquer des systèmes qui produisent efficacement de l'hydrogène et ont plus récemment conçu un système capable de fabriquer du gaz de synthèse, qui est 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 propanol et en éthanol, des carburants liquides. Alors que d'autres ont déjà démontré la conversion électrique du dioxyde de carbone en carburants, le nouveau travail rapporté dans la revue Nature Energy est une avancée clé dans l'utilisation de la lumière du soleil pour produire directement des carburants propres et utiles à partir du dioxyde de carbone en une seule étape.

Des scientifiques du monde entier tentent de fabriquer des combustibles solaires comme moyen de mettre en bouteille l'énergie du soleil pour une utilisation ultérieure 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 alimenté par la lumière comme le dioxyde de titane qui déclenche les réactions chimiques pour réduire le dioxyde de carbone et diviser 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 pilotée par un catalyseur. En 2019, le professeur de chimie de Cambridge Erwin Reisner et ses collègues ont fabriqué le premier appareil à feuilles artificielles de ce type, qui produisait du gaz de synthèse, suivi en 2022 d'une version flottante légère d'un tel appareil.

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

Rahaman, Reisner et l'équipe ont maintenant amélioré l'appareil avec un catalyseur spécial qu'ils ont formulé, qui permet à l'appareil 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 du dioxyde de carbone, dit Rahaman, mais le processus nécessite beaucoup d'énergie. Les chercheurs l'ont donc dopé avec du 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 à 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 se dérouler 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 quelques microlitres d'alcool par centimètre carré. Mais l'équipe travaille à améliorer l'efficacité de l'appareil en optimisant les matériaux absorbant la lumière pour récolter plus de lumière solaire et en ajustant le catalyseur pour convertir plus de dioxyde de carbone en carburant. Ils prévoient également de faire évoluer 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 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."

Cette histoire a été mise à jour le 5 juin 2023.