Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l’énergie et des collaborateurs internationaux nous ont rapprochés de l’exploitation de l’énergie solaire pour convertir le dioxyde de carbone en carburant liquide et en d’autres produits chimiques précieux. Dans une publication récente parue dans Nature Catalysis, les chercheurs présentent un système autonome de production de carbone-carbone (C2) qui combine le pouvoir catalytique du cuivre et de la pérovskite, un matériau utilisé dans les panneaux solaires photovoltaïques. Cette avancée s’appuie sur plus de 20 ans de recherche et rapproche la communauté scientifique de la possibilité de reproduire la productivité d’une feuille verte dans la nature.
| Points Forts |
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| La « Liquid Sunlight Alliance » est une collaboration multi-institutionnelle visant à développer les outils nécessaires à l’utilisation de l’énergie de la lumière solaire pour produire des carburants liquides. Les chercheurs ont construit un dispositif à base de pérovskite et de cuivre qui convertit le dioxyde de carbone en produits C2 Des produits chimiques précurseurs d’innombrables produits de notre vie quotidienne, des polymères plastiques au kérosène. Cette démonstration de faisabilité ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche énergétique. |
Ces travaux s’inscrivent dans le cadre d’une initiative plus vaste, la Liquid Sunlight Alliance (LiSA), qui est un centre d’innovation énergétique financé par le ministère américain de l’énergie. Dirigée par le Caltech en partenariat étroit avec le Berkeley Lab, la LiSA rassemble plus de 100 scientifiques des laboratoires nationaux partenaires du SLAC et du National Renewable Energy Laboratory, ainsi que des universités partenaires de l’UC Irvine, de l’UC San Diego et de l’Université de l’Oregon. Les chercheurs impliqués dans cette collaboration multi-institutionnelle ont progressé dans la compréhension des carburants liquides générés à partir de la lumière du soleil, du dioxyde de carbone et de l’eau, ainsi que dans la mise au point des outils nécessaires à leur développement.
« La nature a été notre source d’inspiration », a déclaré Peidong Yang, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de chimie et de science et ingénierie des matériaux à l’université de Berkeley, qui a participé aux travaux publiés. « Nous avons d’abord dû travailler sur les composants individuels, mais lorsque nous avons tout rassemblé et que nous avons réalisé que c’était un succès, ce fut un moment très excitant. »
Pour construire un système qui imite la photosynthèse, Yang et son équipe ont suivi les processus naturels qui se produisent dans la feuille d’une plante. Chaque composant individuel des éléments de photosynthèse d’une feuille a dû être reproduit et affiné. S’appuyant sur des décennies de recherche, les scientifiques ont utilisé des photo-absorbeurs en pérovskite d’halogénure de plomb pour imiter la chlorophylle d’une feuille qui absorbe la lumière. Inspirés par les enzymes qui régulent la photosynthèse dans la nature, ils ont conçu des électrocatalyseurs en cuivre qui ressemblent à de minuscules fleurs.
Des expériences antérieures ont permis de reproduire avec succès la photosynthèse grâce à l’utilisation de matériaux biologiques, mais ce travail a incorporé un matériau inorganique, le cuivre. Bien que la sélectivité du cuivre soit inférieure à celle des matériaux biologiques, l’inclusion du cuivre constitue une option plus durable, plus stable et plus pérenne pour la conception du système de feuilles artificielles.
Les travaux menés par les chercheurs du projet LiSA ont permis de mettre au point les composants de la cathode et de l’anode du nouveau dispositif. Les instruments de la fonderie moléculaire du laboratoire de Berkeley ont permis à l’équipe de Yang d’intégrer le dispositif à des contacts métalliques. Au cours des expériences menées dans le laboratoire de Yang, un simulateur solaire reproduisant un soleil constamment brillant a été utilisé pour tester la sélectivité du nouveau dispositif.
Des innovations antérieures entre les groupes de recherche ont permis à une réaction d’oxydation organique de se produire dans la chambre de la photoanode et de créer des produits C2 dans la chambre de la photocathode. Cette avancée a permis de créer une architecture de feuille artificielle réaliste dans un dispositif de la taille d’un timbre-poste – il convertit le CO2 en une molécule C2 en utilisant uniquement la lumière du soleil.
Les substances chimiques C2 produites par ce dispositif sont des ingrédients précurseurs pour de nombreuses industries qui fabriquent des produits précieux dans notre vie quotidienne – des polymères plastiques au carburant pour les véhicules plus grands qui ne peuvent pas encore fonctionner avec une batterie, comme un avion. S’appuyant sur cette étape importante de la recherche fondamentale, M. Yang cherche maintenant à accroître l’efficacité du système et à augmenter la taille de la feuille artificielle afin d’accroître l’évolutivité de la solution.
Légende illustration : Gros plan sur les dispositifs à base de pérovskite et de cuivre mis au point par une collaboration multi-institutionnelle visant à développer les outils nécessaires pour transformer la lumière du soleil en carburant liquide. (Crédit : Marilyn Sargent/Berkeley Lab)
Andrei, V., Roh, I., Lin, JA. et al. Perovskite-driven solar C2 hydrocarbon synthesis from CO2. Nat Catal 8, 137–146 (2025). 10.1038/s41929-025-01292-y
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