Des chercheurs ont développé un matériau catalyseur solaire qui utilise l’énergie d’un seul photon pour réduire le dioxyde de carbone et oxyder simultanément les déchets organiques, produisant ainsi des produits chimiques précieux dans les deux réactions.
Des scientifiques de l’Université de Nottingham ont créé deux matériaux catalyseurs qui, couplés ensemble dans le même réacteur, peuvent simultanément convertir le dioxyde de carbone (CO₂) en un produit chimique précieux et une matière première issue de la biomasse en éléments constitutifs de plastiques durables, uniquement sous l’effet de la lumière solaire. La recherche a été publiée dans Communications Materials du Nature Publishing Group.
Un réacteur photoélectrochimique (PEC) sans polarisation se compose de deux compartiments connectés, chacun contenant les nouveaux catalyseurs. Lorsque la lumière du soleil éclaire un compartiment, chaque photon entraîne l’oxydation d’une molécule de biodéchet. L’électron libéré pendant ce processus est ensuite transféré vers le second compartiment, où il réduit le CO₂ en formiate.
Cela crée deux produits utiles à partir de l’énergie d’un seul photon : un produit chimique précieux dérivé d’un gaz à effet de serre, largement utilisé dans les textiles, les peintures et les produits pharmaceutiques, et un précurseur de plastiques biosourcés de nouvelle génération provenant de biodéchets.
Dr Madasamy Thangamuthu, chercheur à l’École de chimie de l’Université de Nottingham, qui a conçu le réacteur PEC et les catalyseurs, a déclaré : « Au cœur du processus se trouve une photoanode nanostructurée composée de semiconducteurs de nitrure de carbone et d’oxyde de tungstène, renforcée par une couche d’oxyde de cobalt, couplée à une cathode dans le second compartiment. Le processus est initié lorsqu’un photon de lumière solaire frappe la photoanode, générant un électron qui se déplace vers la cathode pour réduire le CO2, tandis que le trou restant sur la photoanode oxyde simultanément la molécule d’acide 5-hydroxyméthyl-2-furoïque (HMFA). »
Le réacteur PEC avec les nouveaux catalyseurs a atteint des rendements remarquablement élevés d’environ 93% pour la conversion du CO₂ en formiate et d’environ 95% pour l’oxydation de la biomasse, démontrant une utilisation efficace de l’énergie photonique. La transformation étant assurée uniquement par l’énergie solaire, sans besoin d’apport supplémentaire de chaleur ou d’électricité, cette approche offre des opportunités passionnantes pour la fabrication chimique durable.
Dr Vincenzo Taresco, professeur assistant à l’École de chimie, spécialisé dans la synthèse de matériaux polymères, a affirmé : « La production durable de polymères est l’un des défis majeurs de notre époque. Alors que les progrès de la chimie des matériaux avancent rapidement, de nouvelles stratégies sont nécessaires pour mener ces réactions efficacement. Dans ce travail, l’utilisation de la lumière solaire permet un processus propre, garantissant qu’une source d’énergie durable alimente une chimie durable. »
Les catalyseurs développés par le groupe de Nottingham diffèrent de nombreux matériaux catalyseurs existants qui reposent sur des matériaux coûteux ou rares. Au lieu de cela, ces nouveaux catalyseurs sont fabriqués à partir d’éléments abondants sur Terre, ce qui les rend plus adaptés aux applications à grande échelle. Une analyse du cycle de vie a en outre confirmé les avantages environnementaux de ce processus, soulignant son potentiel pour une fabrication chimique à faible teneur en carbone. À l’avenir, ce système catalytique pourrait être étendu à un usage industriel.
Dr Jesum Alves Fernandes, professeur associé à l’École de chimie et expert en catalyse hétérogène, a souligné : « La méthode de fabrication du catalyseur est cruciale pour le succès futur de cette technologie. Notre approche unique d’assemblage en surface d’atomes métalliques en particules catalytiques – spécifiquement adaptées en termes de taille, forme et composition – sera essentielle pour étendre ce travail à d’autres processus chimiques et améliorer encore l’utilisation du CO2. »
Le groupe a déjà rapporté l’assemblage en surface de catalyseurs à partir d’atomes individuels pour créer des catalyseurs très efficaces pour la production d’hydrogène et la conversion du CO2 en méthanol.
Les chercheurs estiment que cette approche peut être développée davantage pour s’intégrer aux sources industrielles de CO₂ et aux bioraffineries, permettant une production chimique distribuée et durable.
Andrei Khlobystov, professeur de nanomatériaux à l’École de chimie, a déclaré : « Nous sommes très enthousiastes à propos de cette avancée. Actuellement, l’humanité ne capte qu’une infime fraction de l’énergie solaire, dont la plus grande partie est convertie en électricité. Cependant, cette découverte ouvre de nouvelles opportunités pour capter directement la lumière du soleil afin de relever simultanément deux défis mondiaux. Utiliser des catalyseurs durables pour piloter les deux processus nous rapproche de la réalisation des objectifs de zéro émission nette au Royaume-Uni et dans le monde. »
Article : Bias-free photoelectrochemical co-production of formate from CO2 and biomass-derived plastic precursors – Journal : Communications Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Nottingham U.
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