Un nouveau système photocatalytique convertit le dioxyde de carbone

Université municipale de Hong Kong

image : Un système photocatalytique hiérarchique à auto-assemblage (à gauche) imite l'appareil de photosynthèse naturel d'une bactérie violette, appelée Rhodobacter sphaeroides (à droite), atteignant une efficacité solaire en carburant de 15 % lors de la conversion du dioxyde de carbone en méthane.Voir plus

Crédit : (à gauche) Groupe de recherche du professeur Ye Ruquan / City University of Hong Kong et (à droite) Biophysical Journal, 99 : 67-75, 2010

Une équipe de recherche conjointe deUniversité municipale de Hong Kong (CityU) et ses collaborateurs ont récemment développé un système photocatalytique artificiel stable, plus efficace que la photosynthèse naturelle. Le nouveau système imite un chloroplaste naturel pour convertir le dioxyde de carbone présent dans l'eau en méthane, un carburant précieux, en utilisant très efficacement la lumière. Il s’agit d’une découverte prometteuse, qui pourrait contribuer à l’objectif de neutralité carbone.

La photosynthèse est le processus par lequel les chloroplastes des plantes et de certains organismes utilisent la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone pour créer de la nourriture ou de l'énergie. Au cours des dernières décennies, de nombreux scientifiques ont tenté de développer des processus de photosynthèse artificielle pour transformer le dioxyde de carbone en carburant neutre en carbone.

"Cependant, il est difficile de convertir le dioxyde de carbone dans l'eau car de nombreux photosensibilisateurs ou catalyseurs se dégradent dans l'eau", a expliquéProfesseur Ye Ruquan , professeur agrégé au département de chimie de CityU, l'un des dirigeants de l'étude conjointe. "Bien qu'il ait été démontré que les cycles photocatalytiques artificiels fonctionnent avec une efficacité intrinsèque plus élevée, la faible sélectivité et la faible stabilité de l'eau pour la réduction du dioxyde de carbone ont entravé leurs applications pratiques."

Dans la dernière étude, l'équipe de recherche conjointe de CityU, de l'Université de Hong Kong (HKU), de l'Université du Jiangsu et de l'Institut de chimie organique de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences a surmonté ces difficultés en utilisant une approche d'assemblage supramoléculaire pour créer un mélange artificiel. système photosynthétique. Il imite la structure des chromatophores collecteurs de lumière d'une bactérie violette (c'est-à-dire des cellules contenant des pigments), qui sont très efficaces pour transférer l'énergie du soleil.

Le cœur du nouveau système photosynthétique artificiel est une nanomicelle artificielle très stable – une sorte de polymère qui peut s’auto-assembler dans l’eau, avec une extrémité à la fois qui aime l’eau (hydrophile) et une extrémité qui craint l’eau (hydrophobe). La tête hydrophile de la nanomicelle fonctionne comme un photosensibilisateur pour absorber la lumière du soleil, et sa queue hydrophobe agit comme un inducteur d'auto-assemblage. Lorsqu'elles sont placées dans l'eau, les nanomicelles s'auto-assemblent grâce à la liaison hydrogène intermoléculaire entre les molécules d'eau et les queues. L’ajout d’un catalyseur au cobalt entraîne une production photocatalytique d’hydrogène et une réduction du dioxyde de carbone, entraînant la production d’hydrogène et de méthane.

À l’aide de techniques d’imagerie avancées et de spectroscopie ultrarapide, l’équipe a dévoilé les caractéristiques atomiques du photosensibilisateur innovant. Ils ont découvert que la structure spéciale de la tête hydrophile de la nanomicelle, ainsi que la liaison hydrogène entre les molécules d'eau et la queue de la nanomicelle, en font un photosensibilisateur artificiel stable et compatible avec l'eau, résolvant ainsi le problème conventionnel d'instabilité et d'incompatibilité avec l'eau de la photosynthèse artificielle. L'interaction électrostatique entre le photosensibilisateur et le catalyseur au cobalt, ainsi que le fort effet d'antenne captant la lumière de la nanomicelle, ont amélioré le processus photocatalytique.

Dans l’expérience, l’équipe a découvert que le taux de production de méthane était supérieur à 13 000 μmol h−1 g−1, avec un rendement quantique de 5,6 % sur 24 heures. Il a également atteint un taux d’efficacité solaire/carburant très efficace de 15 %, dépassant la photosynthèse naturelle.

Plus important encore, le nouveau système photocatalytique artificiel est économiquement viable et durable, car il ne repose pas sur des métaux précieux coûteux. "L'auto-assemblage hiérarchique du système offre une stratégie ascendante prometteuse pour créer un système photocatalytique artificiel haute performance, contrôlé avec précision, basé sur des éléments bon marché et abondants sur Terre, comme les complexes de porphyrine de zinc et de cobalt", a déclaré le professeur Ye.