Les chercheurs de Yale sont à l’avant-garde du développement d’une nouvelle génération de carburants liquides activés par la lumière du soleil. Cette initiative pourrait transformer notre manière de produire de l’énergie tout en réduisant les émissions de CO2.
Une nouvelle méthodologie hybride
Au cours de la dernière décennie, la recherche fondamentale visant à créer des carburants liquides durables et alimentés par l’énergie solaire a atteint un tournant. Les nouveaux matériaux semi-conducteurs peuvent capturer efficacement la lumière du soleil et catalyser la conversion du dioxyde de carbone en produits précieux, tels que les carburants liquides. Cependant, il est souvent difficile de former un produit unique. Les catalyseurs moléculaires peuvent produire un seul produit à partir du CO2, mais leur stabilité reste un défi. Par conséquent, de nombreux scientifiques estiment qu’aucune de ces approches n’est adéquate pour une production à grande échelle.
Une troisième méthodologie émerge désormais. Les chimistes de Yale, impliqués dans le Centre pour les Approches Hybrides de l’Énergie Solaire (CHASE), combinent de nouveaux matériaux semi-conducteurs avec de nouveaux catalyseurs moléculaires pour créer des processus plus puissants et rationalisés, potentiellement évolutifs pour une utilisation plus large.
Cette approche innovante, décrite dans deux études récentes, représente une combinaison des meilleures caractéristiques des deux mondes, selon les chercheurs. Elle pourrait conduire à des produits de carburants alternatifs ayant l’avantage supplémentaire de retirer le CO2 de l’air.
« Ces deux articles me donnent beaucoup d’espoir qu’une approche hybride puisse fonctionner », a déclaré Eleanor Stewart-Jones, étudiante diplômée au département de chimie de Yale et co-première auteure de l’une des études. « Nous trouvons définitivement de nouvelles façons d’améliorer ou d’augmenter la réactivité. »
Une collaboration interinstitutionnelle
Environ une douzaine de membres du corps professoral et d’étudiants diplômés de Yale font partie de CHASE, un centre de recherche sur l’énergie solaire financé par le gouvernement fédéral et composé de six institutions de recherche américaines, basé à l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill. La mission de CHASE est d’accélérer la recherche pouvant mener à la production de carburants liquides à partir de la lumière du soleil, de l’eau, de l’azote et du dioxyde de carbone.
Parmi les chercheurs de Yale figurent Nilay Hazari, professeur de chimie John Randolph Huffman; James Mayer, professeur de chimie Charlotte Fitch Roberts; et Hailiang Wang, professeur de chimie, tous de la Faculté des Arts et des Sciences.
« Il est inspirant de voir la dévotion que nos étudiants, chercheurs postdoctoraux et collègues des institutions partenaires apportent à ce travail », a déclaré Hailiang Wang. « Chaque nouvelle découverte nous rapproche du développement de la technologie nécessaire pour des carburants solaires pratiques. »
L’ingéniosité de la recherche de Yale est mise en avant dans les deux nouvelles études de CHASE, toutes deux publiées dans le Journal of the American Chemical Society. Elles se concentrent sur les photoélectrodes à base de silicium, les composants des batteries solaires qui captent la lumière du soleil et la convertissent en énergie électrique.
Des électrodes innovantes
Dans la première étude, dirigée par le laboratoire de Hailiang Wang à Yale et le laboratoire de Tianquan Lian à l’Université Emory, les chercheurs ont construit une électrode composée d’un ensemble de micropiliers de silicium, recouverts d’une couche de carbone fluoré superhydrophobe.
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Cette stratégie a augmenté la surface totale de l’électrode et a conduit à une augmentation spectaculaire de l’activité catalytique. « Nous avons observé une augmentation remarquable, jusqu’à 17 fois plus d’activité catalytique que le précédent record pour les photoélectrodes en silicium », a dit Bo Shang, étudiant diplômé en chimie à Yale et co-premier auteur de l’étude.
L’approche a permis la conversion photoélectrocatalytique du CO2 en méthanol la plus efficace jamais rapportée à partir de silicium. Le méthanol est un carburant liquide alternatif incolore.
Pour la deuxième étude, les laboratoires de Mayer et Hazari à Yale ont collaboré sur un processus impliquant des tranches minces de silicium poreux, une forme de silicium gravée de canaux appelés nanopores. Les chercheurs ont attaché un catalyseur moléculaire de rhénium à ces tranches d’électrodes.
« À notre connaissance, c’est la première fois que quelqu’un attache un catalyseur moléculaire à du silicium poreux », a déclaré Stewart-Jones, étudiante diplômée dans le laboratoire de Mayer et co-première auteure de l’étude.
Réactions chimiques améliorées
La réaction chimique résultante, déclenchée par la lumière du soleil, transforme le CO2 en monoxyde de carbone de manière plus cohérente et reproductible que lorsque les catalyseurs moléculaires sont associés à du silicium plat et non poreux.
« Nous avons réussi à immobiliser un catalyseur moléculaire efficace de réduction du CO2 sur un matériau de silicium absorbant la lumière du soleil », a précisé Xiaofan Jia, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Hazari et autre co-premier auteur de l’étude. « Cela permet à l’appareil d’utiliser directement l’énergie du soleil pour produire des carburants. »
Ensemble, les deux études mettent en lumière la diversité et la créativité du projet CHASE, a ajouté Wang.
« Ces deux travaux développent des photoélectrodes de réduction du CO2 avec du silicium et un catalyseur moléculaire, mais adoptent des approches très différentes », a conclu Hailiang Wang.
Légende : Illustration de Michael S. Helfenbein
