Publié le 2024-02-29. Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont mis au point une méthode innovante et durable pour produire des produits chimiques essentiels, des plastiques aux cosmétiques, en utilisant uniquement la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone.
- Une « feuille semi-artificielle » imite la photosynthèse pour convertir le CO2 en formiate, un carburant polyvalent.
- La technologie évite l’utilisation de matériaux toxiques et offre une stabilité accrue par rapport aux prototypes précédents.
- Cette avancée pourrait contribuer à la « défossilisation » de l’industrie chimique, responsable d’environ 6 % des émissions mondiales de carbone.
L’industrie chimique, pilier de l’économie mondiale, est confrontée à un défi majeur : réduire son empreinte carbone. Traditionnellement, elle repose sur la transformation de combustibles fossiles en une multitude de produits, des médicaments aux plastiques en passant par les engrais. Cette dépendance aux matières premières fossiles représente environ 6 % des émissions mondiales de carbone, soulignant l’urgence de trouver des alternatives durables.
Une équipe de chercheurs de l’Université de Cambridge a relevé ce défi en développant un dispositif hybride révolutionnaire. Cette « feuille semi-artificielle » combine des polymères organiques capables de capturer la lumière avec des enzymes bactériennes pour transformer la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone en formiate. Ce composé chimique, le formiate, peut ensuite servir de base à d’autres réactions chimiques, ouvrant la voie à une production plus propre et plus durable.
Contrairement aux prototypes antérieurs, souvent limités par l’utilisation d’absorbeurs de lumière toxiques ou instables, cette nouvelle conception biohybride se distingue par son approche respectueuse de l’environnement. Elle évite les semi-conducteurs toxiques, offre une durée de vie plus longue et ne nécessite pas l’ajout de produits chimiques supplémentaires qui compromettaient auparavant l’efficacité du processus.
Lors de tests rigoureux, les chercheurs ont démontré la capacité de leur feuille artificielle à convertir le dioxyde de carbone en formiate en utilisant uniquement la lumière du soleil. Ils ont ensuite utilisé ce formiate directement dans une réaction chimique en cascade pour produire un composé crucial utilisé dans l’industrie pharmaceutique, avec un rendement et une pureté remarquables.
Les résultats de cette recherche, publiés dans la revue Joule, marquent une étape importante. C’est la première fois que des semi-conducteurs organiques sont intégrés comme composants de collecte de lumière dans un dispositif biohybride de ce type. Cette avancée ouvre la voie à une nouvelle génération de feuilles artificielles durables et performantes.
Le professeur Erwin Reisner, du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, qui a dirigé l’étude, souligne l’importance de cette innovation :
« Si nous voulons construire une économie circulaire et durable, l’industrie chimique constitue un problème important et complexe que nous devons résoudre. Nous devons trouver des moyens de défossiliser ce secteur important, qui produit tant de produits importants dont nous avons tous besoin. C’est une énorme opportunité si nous parvenons à bien faire les choses. »
Erwin Reisner, professeur au département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge
L’équipe de recherche du professeur Reisner se consacre au développement de feuilles artificielles capables de transformer la lumière du soleil en carburants et produits chimiques à base de carbone, sans recourir aux combustibles fossiles. Cependant, les conceptions précédentes étaient souvent confrontées à des problèmes de dégradation rapide des catalyseurs synthétiques ou des semi-conducteurs inorganiques, de gaspillage du spectre solaire et de présence d’éléments toxiques comme le plomb.
Le Dr Celine Yeung, co-première auteure de l’étude, explique :
« Si nous pouvons éliminer les composants toxiques et commencer à utiliser des éléments organiques, nous obtiendrons une réaction chimique propre et un produit final unique, sans aucune réaction secondaire indésirable. Cet appareil combine le meilleur des deux mondes : les semi-conducteurs organiques sont réglables et non toxiques, tandis que les biocatalyseurs sont hautement sélectifs et efficaces. »
Celine Yeung, chercheuse
Le dispositif innovant intègre des semi-conducteurs organiques avec des enzymes provenant de bactéries sulfato-réductrices, capables de diviser l’eau en hydrogène et oxygène ou de convertir le dioxyde de carbone en formiate. Les chercheurs ont également surmonté un obstacle de longue date : la nécessité d’additifs chimiques, appelés tampons, pour maintenir le fonctionnement des enzymes. En intégrant une enzyme auxiliaire, l’anhydrase carbonique, dans une structure poreuse en titane, ils ont permis au système de fonctionner dans une simple solution de bicarbonate – similaire à l’eau gazeuse – sans additifs non durables.
Le Dr Yongpeng Liu, également co-premier auteur, souligne la complexité du projet :
« C’est comme un grand puzzle. Nous avons tous ces différents composants que nous avons essayé de rassembler dans un seul but. Il nous a fallu beaucoup de temps pour comprendre comment cette enzyme spécifique est immobilisée sur une électrode, mais nous commençons maintenant à voir les fruits de ces efforts. »
Yongpeng Liu, chercheur postdoctoral
Le Dr Yeung ajoute :
« En étudiant réellement le fonctionnement de l’enzyme, nous avons pu concevoir avec précision les matériaux qui composent les différentes couches de notre dispositif de type sandwich. Cette conception a permis aux pièces de fonctionner ensemble plus efficacement, depuis la minuscule échelle nanométrique jusqu’à la feuille artificielle complète. »
Celine Yeung, chercheuse
Les tests ont révélé que la feuille artificielle produisait des courants élevés et atteignait une efficacité presque parfaite en dirigeant les électrons vers des réactions produisant du carburant. L’appareil a fonctionné avec succès pendant plus de 24 heures, soit plus du double de la durée de fonctionnement des modèles précédents.
Les chercheurs envisagent désormais d’améliorer leurs conceptions pour prolonger la durée de vie de l’appareil et l’adapter à la production de différents types de produits chimiques. Le professeur Reisner conclut :
« Nous avons montré qu’il est possible de créer des appareils alimentés à l’énergie solaire qui sont non seulement efficaces et durables, mais également exempts de composants toxiques ou non durables. Cela pourrait constituer une plate-forme fondamentale pour la production de carburants et de produits chimiques verts à l’avenir. C’est une véritable opportunité de développer des produits chimiques passionnants et importants. »
Erwin Reisner, professeur au département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge
