Les plantes utilisent la photosynthèse pour récolter l’énergie du soleil. Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université technique de Munich (TUM) ont appliqué ce principe comme base pour développer de nouveaux procédés durables qui pourraient à l’avenir produire du gaz de synthèse (gaz synthétique) pour l’industrie chimique à grande échelle et être capables de charger des 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 hydrocarbures synthétiques. « Le gaz de synthèse est actuellement 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 Fischer, vient changer tout cela. Les scientifiques se sont inspirés de la photosynthèse, le procédé 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 Fischer. Le nanomatériau développé par les chercheurs imite les propriétés des enzymes impliquées dans la photosynthèse. Le « nanozyme » produit du gaz de synthèse en utilisant du dioxyde de carbone, de l’eau et de la lumière d’une manière similaire.
Enregistrer les valeurs d’efficacité
Le Dr Philip Stanley, qui a abordé le sujet dans le cadre de sa thèse de doctorat, explique : « Une molécule prend en charge la tâche d’une antenne énergétique, analogue à une molécule de chlorophylle chez les plantes. La lumière est reçue et les électrons sont transmis à une réaction centre, 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 défi majeur de conception était d’agencer l’antenne, le mécanisme de transmission des électrons et les deux catalyseurs, de manière à obtenir le meilleur rendement possible de la lumière.
Et l’équipe y est parvenue. « À 36 %, notre rendement énergétique de la lumière est spectaculairement élevé », déclare Stanley. « Nous réussissons à convertir jusqu’à un tiers des photons en énergie chimique. Les systèmes précédents atteignaient souvent au mieux un photon sur dix. Ce résultat laisse espérer que la réalisation technique pourrait rendre les processus chimiques industriels plus durables. »
Accumulateur photo pour stocker les charges
Dans un projet séparé, les chercheurs travaillent sur un autre matériau qui utilise l’énergie lumineuse du soleil – mais 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 le détour par la prise murale », explique Fischer.
Les chercheurs ont utilisé des composants similaires à ceux du nanozyme lors du développement de ces photoaccumulateurs. Ici aussi, le matériau lui-même absorbe les photons de la lumière incidente. Mais au lieu de servir ensuite de catalyseur à une réaction chimique, le récepteur d’énergie est si étroitement intégré dans la structure qu’il reste dans cet état, permettant un stockage des électrons sur une plus longue période de temps. Les chercheurs ont démontré la faisabilité du système en laboratoire.
« Il y a deux manières d’exploiter directement l’énergie solaire », résume le Dr Julien Warnan, chef de groupe pour la photocatalyse. « Soit nous en récoltons de l’énergie électrique, soit nous utilisons cette énergie pour provoquer des réactions chimiques. Et ces deux systèmes, tous deux basés sur le même principe, montrent que nous avons réussi expérimentalement. »
