Cambridge crée des carburants liquides grâce à l’énergie solaire

Inventer une technologie révolutionnaire pour la transition énergétique, voilà le défi relevé par des chercheurs de l’Université de Cambridge. Ces derniers ont mis au point une méthode permettant de convertir le dioxyde de carbone et l’eau en carburants liquides grâce à l’énergie solaire.

Ces carburants peuvent être utilisés directement dans un moteur de voiture sans aucun ajout.

Cette équipe de chercheurs a exploité la puissance de la photosynthèse pour transformer le CO2, l’eau et la lumière du soleil en carburants multicarbone – l’éthanol et le propanol – en une seule étape. Ces carburants, riches en énergie, peuvent être facilement stockés et transportés.

Contrairement aux combustibles fossiles, ces « carburants solaires » ne produisent pas d’émissions nettes de carbone, sont totalement renouvelables et, à la différence de la plupart des bioéthanols, ils ne détournent pas de terres agricoles pour la production alimentaire.

Bien que la technologie soit encore à l’échelle de laboratoire, les chercheurs affirment que leurs « feuilles artificielles » représentent une avancée importante vers une économie décarbonée. Les résultats de leurs travaux sont publiés dans la revue Nature Energy.

Le bioéthanol est souvent présenté comme une alternative plus propre à l’essence, car il est produit à partir de plantes et non de combustibles fossiles. Aujourd’hui, la plupart des voitures et des camions circulant sur nos routes fonctionnent avec de l’essence contenant jusqu’à 10% d’éthanol (carburant E10). Selon le département de l’Agriculture des États-Unis, près de 45% de tout le maïs cultivé aux États-Unis est utilisé pour la production d’éthanol.

« Les biocarburants comme l’éthanol sont une technologie controversée, notamment parce qu’ils utilisent des terres agricoles qui pourraient servir à la production alimentaire », a déclaré le Professeur Erwin Reisner, responsable de cette recherche.

Depuis plusieurs années, le groupe de recherche du Professeur Reisner, basé au Département de Chimie Yusuf Hamied, développe des carburants durables et sans carbone, inspirés par la photosynthèse, en utilisant des feuilles artificielles.

Aujourd’hui, ces feuilles artificielles sont capables de produire des produits chimiques simples, comme le syngas. Cependant, pour que la technologie soit véritablement pratique, il faudrait qu’elle puisse produire des produits chimiques plus complexes directement en une seule étape, alimentée par le soleil.

C’est maintenant possible, les feuilles artificielles produisant de l’éthanol et du propanol propre sans nécessiter l’étape intermédiaire de production du syngas.

Les chercheurs ont mis au point un catalyseur à base de cuivre et de palladium. Ce catalyseur a été optimisé pour permettre à la feuille artificielle de produire des produits chimiques plus complexes, spécifiquement les alcools multicarbone que sont l’éthanol et le n-propanol. Ces deux alcools sont des carburants à haute densité énergétique facilement transportables et stockables.

D’autres scientifiques ont réussi à produire des produits chimiques similaires en utilisant l’électricité, mais c’est la première fois que de tels produits chimiques complexes ont été produits par une feuille artificielle utilisant uniquement l’énergie solaire.

« Faire briller la lumière du soleil sur les feuilles artificielles et obtenir un carburant liquide à partir de dioxyde de carbone et d’eau est une véritable prouesse chimique », a déclaré le Dr Motiar Rahaman, premier auteur de l’article. « Normalement, lorsque vous essayez de convertir le CO2 en un autre produit chimique à l’aide d’une feuille artificielle, vous obtenez presque toujours du monoxyde de carbone ou du syngas, mais ici, nous avons réussi à produire un carburant liquide pratique uniquement grâce à la puissance du soleil. C’est une avancée passionnante qui ouvre de nouvelles perspectives dans notre travail. »

Actuellement, le dispositif n’en est qu’au stade de la preuve de concept et présente une efficacité modeste. Les chercheurs travaillent à optimiser les absorbeurs de lumière pour qu’ils puissent mieux capter la lumière du soleil et à améliorer le catalyseur pour qu’il puisse convertir davantage de lumière solaire en carburant. Des efforts supplémentaires seront également nécessaires pour rendre le dispositif évolutif afin qu’il puisse produire de grandes quantités de carburant.

« Même s’il reste encore du travail à faire, nous avons montré ce dont ces feuilles artificielles sont capables », a déclaré Reisner. « Il est important de démontrer que nous pouvons aller au-delà des molécules les plus simples et produire des choses directement utiles alors que nous nous éloignons des combustibles fossiles. »

La recherche a été soutenue en partie par la bourse Marie Skłodowska-Curie de la Commission européenne, la Cambridge Trust et le Winton Programme for the Physics of Sustainability. Erwin Reisner est membre et Motiar Rahaman est chercheur associé au St John’s College, Cambridge.

Reference: Motiar Rahaman et al. ‘Solar-driven liquid multi-carbon fuel production using a standalone perovskite-BiVO4 artificial leaf.’ Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01262-3