Invention d'une méthode moins chère de photosynthèse artificielle

Depuis de nombreuses années, les scientifiques sont aux prises avec le problème de la photosynthèse artificielle économiquement viable. L'objectif est d'utiliser efficacement l'énergie libre de la lumière solaire pour des réactions chimiques. Jusqu'à présent, il a été possible d'utiliser des rayons ultraviolets à haute énergie à cette fin, mais ils ne représentent que 4% du spectre de la lumière solaire. Pour d'autres parties du spectre, seuls quelques matériaux efficaces ont été trouvés jusqu'à présent, mais ils nécessitent des additifs coûteux: platine (31 $ par gramme), rhénium (1000 $ par gramme) ou iridium (35 $ par gramme).

Le professeur de chimie Fernando Uribe-Romo de l'Université de Floride centrale et ses étudiants ont développé un nouveau matériau synthétique qui convertit le CO ₂ en carburant sous l'influence des photons de lumière. Un tel matériau résout deux problèmes à la fois: il réduit la quantité de gaz à effet de serre et fournit un carburant «respectueux de l'environnement». Et surtout, les métaux précieux ne sont pas nécessaires à sa fabrication! Il utilise du titane, vendu en kilogrammes - il est presque mille fois moins cher que le platine ou l'iridium.

Le matériau synthétique est une charpente métal-organique (charpente métal-organique, MOF). Soit dit en passant, des MOF similaires du Zr ₆ O ₄ (OH) ₄ (fumarate de stéaryle) ₆ ] sont utilisés pour condenser l'eau de l'air , en utilisant également uniquement la lumière du soleil. Imaginez que même dans le désert le plus sec, vous mettez une bouteille vide dans la rue - et elle-même est remplie d'eau.

L'illustration ci-dessous montre la structure cristalline du cristal métal-organique MOF MIL-125 pour la photosynthèse artificielle.



Dans ce cas, les structures métal-organiques utilisent également des photons lumineux pour l'énergie, mais elles produisent des substances organiques inoffensives en sortie - tout comme les plantes produisent des aliments et des matériaux de construction pour elles-mêmes au cours du processus de photosynthèse naturelle. L'énergie solaire est collectée par des molécules appelées N-alkyl-2-aminotéréphtalates. Les auteurs des travaux scientifiques soutiennent que les molécules peuvent être modifiées pour répondre à des parties spécifiques du spectre. Dans ce cas, une réaction au bleu a été utilisée. Dans le test, le matériau a été irradié avec des LED bleues.


Photoréacteur. Photo: Université de Floride centrale

Le dioxyde de carbone a été pompé dans une sorte de «photoréacteur» avec un puissant rétro-éclairage LED. À la suite de la photosynthèse dans le MOF, le dioxyde de carbone a été converti en formiates et formamides. Les formiates sont des sels d'acide formique et les formamides sont des amides d'acide formique. Il s'agit d'une sorte de combustible solaire.

Fernando Uribe-Romo va poursuivre ses recherches: il veut étudier l'efficacité de la photosynthèse artificielle à différentes longueurs d'onde, ainsi qu'à une concentration plus élevée de dioxyde de carbone, où l'efficacité de la photosynthèse devrait augmenter. Le professeur dit que si le processus fonctionne efficacement, ce matériau contribuera à réduire le niveau de gaz à effet de serre dans l'atmosphère et travaillera pour une manière propre de produire du carburant. «Ce travail est une percée», explique l'auteur. «Fabriquer des matériaux pour absorber un spectre spécifique de la lumière est très difficile scientifiquement, mais d'un point de vue social, nous aidons à développer une technologie qui peut réduire les niveaux de gaz à effet de serre.»


Professeur Fernando Uribe-Romo. Photo: Université de Floride centrale

Peut-être qu'à l'avenir, ils commenceront à construire des centrales électriques d'un nouveau type - des usines entières qui commenceront à aspirer le dioxyde de carbone de l'atmosphère en grande quantité et à produire du carburant. Vous ne pouvez pas vous inquiéter du manque de CO ₂ - il est extrêmement simple de le compenser, il y aura donc toujours assez de matière pour la vie des plantes vertes sur Terre.


A gauche les isothermes d'absorption du CO ₂ (273 K), à droite le différentiel d'enthalpie d'absorption

Le professeur imagine même qu'à l'avenir, les gens couvriront les toits des maisons avec un tel matériau métal-organique, générant ainsi de l'énergie pour le ménage et purifiant l'air de la cour.

Les travaux scientifiques ont été publiés le 7 avril 2017 dans la revue Journal of Materials Chemistry A (doi: 10.1039 / C7TA00437K, pdf ).