Un matériau activé par la lumière ouvre une nouvelle voie pour la conversion du dioxyde de carbone

Des scientifiques ont développé un nouveau matériau capable d’utiliser la lumière solaire et l’eau pour convertir le dioxyde de carbone (CO₂) en monoxyde de carbone (CO) – une brique élémentaire essentielle pour fabriquer des carburants, des plastiques, des produits pharmaceutiques et d’autres produits chimiques courants.

Cette découverte, dirigée par l’Université de Manchester, pourrait soutenir le développement de futures technologies qui recyclent les gaz à effet de serre pour produire des carburants et des produits chimiques utiles, de manière plus durable, en utilisant rien de plus que la lumière et l’eau.

Le CO₂ est le principal moteur du changement climatique d’origine humaine, mais c’est aussi une ressource carbonée abondante. Trouver des moyens efficaces de convertir le CO₂ déjà présent dans l’atmosphère en produits utiles constitue un défi scientifique majeur.

Le nouveau catalyseur de l’équipe, publié aujourd’hui dans le Journal of the American Chemical Society, combine des idées issues de la biologie et de la science des matériaux pour s’attaquer à ce problème.

Le professeur Martin Schröder, professeur de chimie à l’Université de Manchester, explique : « Dans la nature, des enzymes spécialisées peuvent lier et libérer de petites molécules comme le CO₂ avec un contrôle remarquable. Nous avons pu concevoir un matériau solide qui se comporte de manière similaire. Il est activé par la lumière visible pour réagir et convertir le CO₂, et le matériau d’origine est ensuite régénéré pour réagir avec plus de CO₂. »

Le travail s’articule autour des réseaux métallo-organiques (MOF) – des matériaux constitués d’atomes ou d’amas métalliques  connectés par des lieurs organiques pour former des réseaux poreux de minuscules cavités dans lesquelles les molécules peuvent être adsorbées et activées pour être converties en nouveaux produits, en l’occurrence le CO₂.

Les chercheurs ont utilisé un MOF à base de cérium, construit avec des lieurs organiques contenant des groupes amino pour améliorer son absorption de la lumière. Lorsqu’il est illuminé, le matériau subit brièvement un changement électronique, créant des sites « ouverts » temporaires dans ses pores qui peuvent saisir les molécules de CO₂. Celles-ci réagissent ensuite et se convertissent en CO avant d’être à nouveau libérées.

Ce comportement de liaison réversible est similaire à la façon dont les enzymes des systèmes vivants traitent les petites molécules comme le CO₂.

Dans des expériences en laboratoire, le nouveau catalyseur produit du CO de manière extrêmement efficace, sans sous-produits détectables, surpassant de nombreux matériaux de référence existants.

Contrairement à d’autres systèmes existants, le processus ne nécessite ni métaux précieux ni produits chimiques ajoutés qui seraient consommés pendant la réaction. Il évite également de produire de grandes quantités d’hydrogène au lieu de produits carbonés utiles.

Le nouveau système n’utilise que de la lumière, de l’eau et du CO₂, et ne produit qu’un seul produit de valeur.

Le professeur Sihai Yang souligne : « Notre recherche en est encore à un stade fondamental, mais les résultats fournissent un schéma directeur clair pour concevoir des catalyseurs de nouvelle génération qui transforment le CO₂ en déchet en produits chimiques utiles.

 « En apprenant de la façon dont la nature contrôle les réactions chimiques, nous pouvons commencer à concevoir des matériaux qui ouvrent des perspectives passionnantes pour des technologies énergétiques propres et efficaces. »

Les chercheurs estiment que les principes démontrés ici pourraient être appliqués à un large éventail de réactions, contribuant à accélérer le développement de technologies durables de conversion solaire en carburant.

Article : Light-induced Binding and Reduction of CO2 over Transient Open Ce(III) Sites in a Metal-Organic Framework – Journal : Journal of the American Chemical Society – DOI : Lien vers l’étude

Source : Manchester U.