Mini-centrales énergétiques à partir d’algues bleues enrobées

Les algues bleu-vert sont parmi les plus anciennes créatures vivantes de la planète et ont perfectionné l’utilisation de la lumière du soleil depuis des milliards d’années. Les chercheurs en matériaux de l’Empa ont maintenant équipé ces organismes unicellulaires frugaux de revêtements semi-conducteurs pour créer des mini-centrales énergétiques qui fournissent des biocarburants et deviennent photocatalytiquement actives à la lumière du soleil. Et en plus, les réactions se combinent pour former un cycle de matières premières fermé.

Elles existaient déjà dans la « soupe primordiale » de notre planète il y a plus de 2 milliards d’années et contribuent depuis à enrichir l’atmosphère en oxygène. De nos jours, les algues bleues vivent pratiquement partout – dans les eaux, sur l’écorce des arbres ou sur les pics montagneux inhospitaliers. Ils ont perfectionné l’utilisation efficace de la lumière du soleil pour la photosynthèse à tel point qu’ils peuvent survivre même dans des grottes très sombres. Les chercheurs de l’Empa dirigés par Laetita Philippe du laboratoire « Mécanique des matériaux et nanostructures » de Thoune ont maintenant utilisé la technologie de « biotemplation » pour enrober les frugales algues bleu-vert du genre Spiruline de manière à ce qu’elles puissent être utilisées pour produire des biocarburants et avoir un effet photocatalytique.
Une architecture parfaite

Pour un processus particulièrement efficace et en même temps durable, la méthode de « bio-modélisation » a été utilisée, dans laquelle une architecture donnée par la nature sert de modèle pour l’application de nouveaux revêtements de surface. L’algue bleu-vert Spirulina, dont la forme rappelle celle d’un minuscule thermoplongeur, s’y prêtait particulièrement bien, car sa structure compacte en spirale contribue à l’utilisation efficace de la lumière du soleil.

Les chercheurs ont d’abord recouvert d’une fine gaine de nickel les cordons vissés d’environ quatre micromètres d’épaisseur des organismes unicellulaires, la spiruline. Comme la peau d’un oignon, de délicates couches de nanoparticules d’oxyde de zinc et de sulfure de zinc ont suivi. « Alors que les algues bleu-vert agissent comme un agent structurant, le revêtement magnétique de nickel permet de récupérer facilement les petits objets polyvalents« , explique Laetitia Philippe. Le revêtement de zinc appliqué par-dessus a une activité photocatalytique impressionnante. D’une part, la combinaison de deux composés de zinc entraîne une plus longue performance de la réaction photocatalytique. D’autre part, il est possible d’utiliser une gamme de longueurs d’onde plus large du spectre de la lumière solaire. « Avec l’oxyde de zinc, seul le rayonnement UV de la lumière du soleil peut être utilisé pour les processus de nettoyage », explique Albert Serrá.

« Grâce à l’activité photocatalytique des algues enrobées, il devrait être possible d’utiliser un procédé durable, simple et peu coûteux pour le traitement de l’eau« , explique Laetitia Philippe. Depuis 2015, la disponibilité et la gestion durable de l’eau pour tous font partie du programme mondial de durabilité des Nations unies (ONU). Dans cette optique, la chercheuse et son équipe ont cherché une technologie capable de produire de l’eau propre à l’échelle mondiale et sur la base de plantes existantes. L’objectif principal était d’éliminer les microplastiques et les polluants organiques persistants de l’eau que les systèmes de traitement conventionnels n’éliminent pas. Les chercheurs ont donc développé un procédé basé sur la photocatalyse utilisant l’oxyde de zinc et le sulfure de zinc, une réaction chimique qui oxyde et neutralise les polluants lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Toutefois, la combinaison avec des nanoparticules de sulfure de zinc permet désormais d’exploiter des zones de lumière visible comme source d’énergie.

Nanofils ramifiés

Les chercheurs ont d’abord développé ce revêtement de surface photocatalytique sur la base d’autres structures rappelant les forêts microscopiques de fougères. « L’architecture de fougère est une autre façon d’absorber l’énergie lumineuse aussi efficacement que possible« , explique M. Serrá. Dans des expériences de laboratoire avec des micro et nanofils ramifiés produits artificiellement et composés de divers produits chimiques, la structure en couche d’oignon d’oxyde de zinc, de sulfure de zinc et de nickel s’est avérée particulièrement efficace. Le processus de biotemplation des algues bleues devait également permettre d’éviter l’ombrage causé par les branches individuelles des microfougères, augmentant ainsi l’absorption de la lumière.

Autre avantage : les algues bleu-vert se produisent pratiquement toutes seules. Avec l’eau, la lumière et les engrais, les organismes unicellulaires se développent en grande quantité et à un rythme rapide. De plus, elles consomment le dioxyde de carbone de l’environnement et émettent de l’oxygène précieux comme « gaz résiduel » – le bilan de CO2 de la méthode peut également être amélioré en introduisant du dioxyde de carbone supplémentaire dans la culture des algues bleues.
Cycle des matières premières fermé

Cependant, une fois que les minuscules thermoplongeurs ont commencé leur travail et ont décomposé les polluants présents dans les eaux usées en produits facilement dégradables, leur tâche est loin d’être terminée. Si les composés de zinc et de nickel peuvent être récupérés et réutilisés, les structures de spiruline préservées restent des mini-centrales énergétiques. « Les biocarburants peuvent être produits à partir de la biomasse« , explique Laetitia Philippe. En plus du bioéthanol et du biodiesel, les résidus de spiruline peuvent également être pressés et brûlés sous forme de pellets pour la production d’énergie. Et les cendres restantes peuvent enfin être utilisées comme engrais pour la culture de nouvelles algues bleu-vert. Le cycle des matières premières raffinées a maintenant été prouvé par des expériences en laboratoire. Mais Laetitia Philippe est persuadée que ces organismes unicellulaires polyvalents seront utilisés à plus grande échelle.