Des chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode durable pour fabriquer les produits chimiques qui sont à la base de milliers de produits que nous utilisons quotidiennement, des plastiques aux cosmétiques.
Faits importants
- Une feuille artificielle solaire imitant la photosynthèse naturelle
- Une conversion directe du CO₂ et de l’eau en carburants propres
- Un fonctionnement continu plus de 24 heures sans additifs chimiques
- Une alternative non toxique pour décarboner l’industrie chimique
Des centaines de milliers de produits chimiques sont fabriqués par l’industrie chimique, qui transforme des matières premières, généralement des combustibles fossiles, en produits finis utiles. En raison de sa taille et de son utilisation de combustibles fossiles, l’industrie chimique est responsable d’environ 6 % des émissions mondiales de carbone.
Mais des chercheurs, sous la direction de l’université de Cambridge, développent actuellement de nouvelles méthodes qui pourraient un jour conduire à la « défossilisation » de ce secteur important.
Ils ont mis au point un dispositif hybride qui combine des polymères organiques captant la lumière et des enzymes bactériennes pour convertir la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone en formiate, un combustible qui peut entraîner d’autres transformations chimiques.
Leur « feuille semi-artificielle » imite la photosynthèse, le processus utilisé par les plantes pour convertir la lumière du soleil en énergie, et ne nécessite aucune source d’énergie externe. Contrairement aux prototypes précédents, qui reposaient souvent sur des absorbeurs de lumière toxiques ou instables, la nouvelle conception biohybride évite les semi-conducteurs toxiques, dure plus longtemps et peut fonctionner sans produits chimiques supplémentaires qui nuisaient auparavant à son efficacité.
Lors des tests, les chercheurs ont utilisé la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone en formiate, puis l’ont utilisé directement dans une réaction chimique « en cascade » pour produire un type important de composé utilisé dans les produits pharmaceutiques, avec un rendement et une pureté élevés.
Leurs résultats, publiés dans la revue Joule, marquent la première fois que des semi-conducteurs organiques sont utilisés comme composants de capture de la lumière dans ce type de dispositif biohybride, ouvrant la voie à une nouvelle famille de feuilles artificielles durables.
L’industrie chimique est au cœur de l’économie mondiale, produisant des produits allant des médicaments et des engrais aux plastiques, peintures, produits électroniques, produits d’entretien et articles de toilette.
« Si nous voulons construire une économie circulaire et durable, l’industrie chimique est un problème vaste et complexe que nous devons résoudre », a déclaré le professeur Erwin Reisner du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, qui a dirigé la recherche. « Nous devons trouver des moyens de dé-fossiliser ce secteur important, qui produit tant de produits essentiels dont nous avons tous besoin. Si nous y parvenons, ce sera une énorme opportunité. »
Le groupe de recherche de M. Reisner est spécialisé dans le développement de feuilles artificielles qui transforment la lumière du soleil en combustibles et produits chimiques à base de carbone sans recourir aux combustibles fossiles. Mais bon nombre de leurs premières conceptions reposaient sur des catalyseurs synthétiques ou des semi-conducteurs inorganiques, qui se dégradent rapidement, gaspillent une grande partie du spectre solaire ou contiennent des éléments toxiques tels que le plomb.
« Si nous parvenons à éliminer les composants toxiques et à utiliser des éléments organiques, nous obtiendrons une réaction chimique propre et un seul produit final, sans aucune réaction secondaire indésirable », indique la co-auteure principale, le Dr Celine Yeung, qui a mené ces recherches dans le cadre de son doctorat au laboratoire de Reisner. « Ce dispositif combine le meilleur des deux mondes : les semi-conducteurs organiques sont ajustables et non toxiques, tandis que les biocatalyseurs sont hautement sélectifs et efficaces. »
Le nouveau dispositif intègre des semi-conducteurs organiques et des enzymes provenant de bactéries sulfato-réductrices, qui divisent l’eau en hydrogène et en oxygène ou convertissent le dioxyde de carbone en formiate.
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Les chercheurs ont également relevé un défi de longue date : la plupart des systèmes nécessitent des additifs chimiques, appelés tampons, pour maintenir les enzymes en activité. Ceux-ci peuvent se dégrader rapidement et limiter la stabilité. En intégrant une enzyme auxiliaire, l’anhydrase carbonique, dans une structure poreuse en dioxyde de titane, les chercheurs ont permis au système de fonctionner dans une simple solution de bicarbonate, similaire à l’eau gazeuse, sans additifs non durables.
« C’est comme un grand puzzle », affirme le coauteur principal, le Dr Yongpeng Liu, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Reisner. « Nous avons tous ces différents composants que nous avons essayé de réunir 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. »
« En étudiant réellement le fonctionnement de l’enzyme, nous avons pu concevoir avec précision les matériaux qui composent les différentes couches de notre dispositif en forme de sandwich », explique Yeung. « Cette conception a permis aux différentes parties de fonctionner ensemble plus efficacement, de l’échelle nanométrique à la feuille artificielle complète. »
Les tests ont montré que la feuille artificielle produisait des courants élevés et atteignait une efficacité quasi parfaite dans la direction des électrons vers les réactions de production de carburant. Le dispositif a fonctionné avec succès pendant plus de 24 heures, soit plus de deux fois plus longtemps que les modèles précédents.
Les chercheurs espèrent perfectionner leurs conceptions afin de prolonger la durée de vie du dispositif et de l’adapter pour qu’il puisse produire différents types de produits chimiques.
« Nous avons démontré qu’il était possible de créer des dispositifs alimentés à l’énergie solaire qui sont non seulement efficaces et durables, mais également exempts de composants toxiques ou non durables », a conclu M. Reisner. « Cela pourrait constituer une plateforme fondamentale pour la production future de carburants et de produits chimiques verts. C’est une véritable opportunité de mener des recherches passionnantes et importantes dans le domaine de la chimie. »
Cette recherche a été soutenue en partie par l’Agence singapourienne pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR), le Conseil européen de la recherche, le Fonds national suisse de la recherche scientifique, la Royal Academy of Engineering et UK Research and Innovation (UKRI). Erwin Reisner est membre du St John’s College de Cambridge. Celine Yeung est membre du Downing College de Cambridge.
Celine Wing See Yeung et al. ‘Semi-artificial leaf interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis.’ Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.102165
Source : Cambridge U.
Fiche Synthèse – Enerzine.com
Comment cette technologie solaire pourrait modifier l’industrie chimique
Pour qui ?
Ce contenu s’adresse aux professionnels de la chimie, aux entreprises industrielles, aux ingénieurs environnementaux, aux décideurs publics et à toute personne cherchant des solutions innovantes pour réduire l’empreinte carbone de la production chimique.
Quels problèmes résout cette innovation ?
- Comment produire des produits chimiques essentiels sans pétrole, charbon ou gaz naturel ?
- Quelles technologies permettent de remplacer la chaleur industrielle issue des énergies fossiles par des alternatives renouvelables ?
- Comment les entreprises peuvent-elles répondre aux exigences de décarbonation tout en restant compétitives ?
Synthèse du procédé solaire développé par l’Université de Cambridge
Les chercheurs de l’Université de Cambridge ont mis au point une plateforme technologique solaire inédite qui permet de réaliser la « dé-fossilisation » des processus chimiques industriels. Leur méthode utilise la lumière solaire pour alimenter des réactions catalytiques, transformant des matières premières renouvelables – telles que la biomasse ou le CO₂ – en produits chimiques utiles sans recours à l’énergie fossile.
Fonctionnement en 3 étapes-clés :
- Capture de la lumière solaire via des absorbeurs spécifiques.
- Conversion directe de l’énergie solaire en chaleur ou en électricité, optimisée pour alimenter des réactions chimiques.
- Production de molécules chimiques (comme l’éthanol ou les intermédiaires de plastiques), à partir de déchets organiques ou de CO₂ capturé.
Cas d’usage et questions fréquemment posées
- Quels sont les « meilleurs procédés » pour produire durablement des plastiques, carburants et solvants ?
- Est-il possible de fabriquer de l’éthanol, du méthanol ou de l’ammoniac à partir d’énergie solaire ?
- Quelle solution d’approvisionnement pour une industrie chimique bas-carbone ?
- Cette technologie peut-elle s’intégrer dans des sites industriels existants ?
Pourquoi cette innovation est-elle une avancée majeure ?
- La méthode permet de s’affranchir totalement des énergies fossiles pour des réactions chimiques à grande échelle.
- Elle favorise l’utilisation de matières premières issues du recyclage ou de la biomasse.
- Selon l’équipe de l’Université de Cambridge, ce procédé peut être adapté à divers produits chimiques indispensables à l’industrie, réduisant ainsi de manière significative les émissions de gaz à effet de serre.
Points de différenciation et bénéfices pour l’utilisateur
- Technologie reproductible et évolutive : applicable aux petites et grandes industries, elle s’adapte facilement aux installations existantes.
- Réponse concrète aux objectifs ESG : facilite l’atteinte des critères environnementaux et la conformité aux nouvelles régulations sur le climat.
- Effet sur la compétitivité : réduction potentielle des coûts à long terme grâce à l’indépendance vis-à-vis des marchés des énergies fossiles.
Marques et savoir-faire reconnus
- Cette avancée porte la signature de l’Université de Cambridge, institution scientifique internationale de premier plan.
- Pour suivre l’actualité sur la décarbonation de l’industrie et les technologies solaires appliquées à la chimie, le site d’Enerzine.com publie régulièrement des analyses et interviews d’experts.
À retenir
Cette technologie solaire de nouvelle génération constitue une réponse efficace à la question : « comment dé-fossiliser la production chimique ? » Elle offre une solution concrète, évolutive et performante à tous les acteurs engagés dans la transition énergétique, tout en favorisant l’innovation et la compétitivité du secteur industriel.
