Les plantes utilisent la photosynthèse pour récolter l’énergie de la lumière du soleil. Des chercheurs de l’université technique de Munich (TUM) ont appliqué ce principe pour mettre au point de nouveaux procédés durables qui, à l’avenir, pourraient produire du gaz de synthèse pour l’industrie chimique à grande échelle et recharger les batteries.
Le gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène, est un produit intermédiaire important dans la fabrication de nombreuses matières premières chimiques telles que l’ammoniac, le méthanol et les carburants synthétiques à base d’hydrocarbures. « Actuellement, le gaz de synthèse est fabriqué presque exclusivement à partir de matières premières fossiles« , explique le professeur Roland Fischer, de la chaire de chimie inorganique et organométallique.
Une poudre jaune, mise au point par une équipe de recherche dirigée par M. Fischer, devrait changer tout cela. Les scientifiques se sont inspirés de la photosynthèse, le processus utilisé par les plantes pour produire de l’énergie chimique à partir de la lumière. « La nature a besoin de dioxyde de carbone et d’eau pour la photosynthèse« , explique M. Fischer. Le nanomatériau mis au point par les chercheurs imite les propriétés des enzymes impliquées dans la photosynthèse. Le « nanozyme » produit du gaz de synthèse en utilisant le dioxyde de carbone, l’eau et la lumière de la même manière.
Des valeurs record en matière d’efficacité
Philip Stanley, qui s’est penché sur le sujet dans le cadre de sa thèse de doctorat, explique : « Une molécule joue le rôle d’antenne énergétique, à l’instar de la molécule de chlorophylle chez les plantes. La lumière est reçue et les électrons sont transmis à un centre de réaction, le catalyseur« . L’aspect innovant du système des chercheurs : Il y a maintenant deux centres de réaction qui sont reliés à l’antenne. L’un de ces centres convertit le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, tandis que l’autre transforme l’eau en hydrogène. Le principal défi de conception consistait à disposer l’antenne, le mécanisme de transmission des électrons et les deux catalyseurs de manière à obtenir le rendement le plus élevé possible à partir de la lumière.
L’équipe y est parvenue. « Avec 36 %, notre rendement énergétique à partir de la lumière est spectaculairement élevé« , déclare Stanley. Nous parvenons à convertir un tiers des photons en énergie chimique. Les systèmes précédents atteignaient souvent un photon sur dix, dans le meilleur des cas. Ce résultat laisse espérer que la réalisation technique pourrait rendre les processus chimiques industriels plus durables. »
Un photo-accumulateur pour stocker les charges
Dans le cadre d’un projet distinct, les chercheurs travaillent sur un autre matériau qui utilise l’énergie lumineuse du soleil, mais qui, dans ce cas, la stocke sous forme d’énergie électrique. Une application future possible pourrait être des batteries chargées par la lumière du soleil, sans passer par la prise murale », explique M. Fischer.
Pour développer ces photo-accumulateurs, les chercheurs ont utilisé des composants similaires à ceux du nanozyme. Ici aussi, le matériau lui-même absorbe les photons de la lumière incidente. Mais au lieu de servir de catalyseur pour une réaction chimique, le récepteur d’énergie est si étroitement intégré dans la structure qu’il reste dans cet état, ce qui permet de stocker les électrons sur une plus longue période. Les chercheurs ont démontré la faisabilité du système en laboratoire.
Il y a deux façons d’utiliser directement l’énergie solaire », résume le Dr Julien Warnan, chef de groupe pour la photocatalyse. « Soit nous en tirons de l’énergie électrique, soit nous utilisons l’énergie pour stimuler des réactions chimiques. Ces deux systèmes, basés sur le même principe, montrent que nous y sommes parvenus expérimentalement.«
Légende illustration / Générer de l’énergie à partir de la lumière : Le nouveau « nanozyme », une poudre jaune, imite les propriétés des enzymes impliquées dans la photosynthèse. Crédit : Astrid Eckert / TUM
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