Une étude réalisée par six chimistes de l’université de Chicago montre un nouveau système innovant de photosynthèse artificielle, dont la productivité est supérieure d’un ordre de grandeur à celle des systèmes artificiels précédents. Ci-dessus, une illustration artistique du processus. Crédit : Peter Allen
Au cours des deux derniers siècles, les êtres humains ont compté sur les combustibles fossiles pour obtenir de l’énergie concentrée ; des centaines de millions d’années de photosynthèse concentrées dans une substance pratique et dense en énergie. Mais ces réserves sont limitées et la consommation de combustibles fossiles a un impact négatif considérable sur le climat de la Terre.
« Le plus grand défi que beaucoup de gens ne réalisent pas est que même la nature n’a pas de solution pour la quantité d’énergie que nous utilisons », a déclaré Wenbin Lin, chimiste à l’université de Chicago. Même la photosynthèse n’est pas aussi efficace, a-t-il ajouté : « Nous devrons faire mieux que la nature, et c’est effrayant. »
Une option possible que les scientifiques explorent est la « photosynthèse artificielle », c’est-à-dire le remaniement du système d’une plante pour produire nos propres types de carburants. Cependant, l’équipement chimique d’une seule feuille est incroyablement complexe, et il n’est pas si facile de l’utiliser à nos propres fins.
Une étude publiée dans Nature Catalysis par six chimistes de l’université de Chicago présente un nouveau système innovant de photosynthèse artificielle, dont la productivité est supérieure d’un ordre de grandeur à celle des systèmes artificiels précédents. Contrairement à la photosynthèse ordinaire, qui produit des glucides à partir de dioxyde de carbone et d’eau, la photosynthèse artificielle pourrait produire de l’éthanol, du méthane ou d’autres carburants.
Bien qu’il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que cette méthode ne devienne un moyen de faire le plein de votre voiture tous les jours, elle offre aux scientifiques une nouvelle voie à explorer et pourrait être utile à plus court terme pour la production d’autres produits chimiques.
« Il s’agit d’une amélioration considérable par rapport aux systèmes existants, mais ce qui est tout aussi important, c’est que nous avons été en mesure d’expliquer très clairement le fonctionnement de ce système artificiel au niveau moléculaire, ce qui n’avait jamais été fait auparavant », a déclaré Lin, professeur de chimie James Franck à l’université de Chicago et auteur principal de l’étude.
Nous aurons besoin d’autre chose
« Sans la photosynthèse naturelle, nous ne serions pas là. Elle a produit l’oxygène que nous respirons sur Terre et elle produit la nourriture que nous mangeons », a déclaré Wenbin Lin. « Mais elle ne sera jamais assez efficace pour fournir le carburant qui nous permet de conduire des voitures ; il nous faudra donc autre chose ».
Le problème est que la photosynthèse est construite pour créer des hydrates de carbone, qui sont parfaits pour nous alimenter, mais pas pour nos voitures, qui ont besoin d’une énergie beaucoup plus concentrée. Les chercheurs qui cherchent à créer des alternatives aux combustibles fossiles doivent donc réorganiser le processus pour créer des combustibles plus denses en énergie, comme l’éthanol ou le méthane.
Dans la nature, la photosynthèse est réalisée par plusieurs assemblages très complexes de protéines et de pigments. Ils absorbent de l’eau et du dioxyde de carbone, séparent les molécules et réarrangent les atomes pour produire des hydrates de carbone, une longue chaîne de composés hydrogène-oxygène-carbone. Les scientifiques doivent cependant modifier les réactions pour produire un arrangement différent, où seul l’hydrogène entoure un noyau de carbone juteux, le CH4, également connu sous le nom de méthane.
Ce remaniement est beaucoup plus délicat qu’il n’y paraît ; cela fait des dizaines d’années que l’on y travaille, en essayant de se rapprocher de l’efficacité de la nature.
Lin et son équipe de laboratoire ont pensé qu’ils pourraient essayer d’ajouter quelque chose que les systèmes de photosynthèse artificielle n’ont pas inclus jusqu’à présent : des acides aminés.
L’équipe a commencé par un type de matériau appelé cadre organométallique ou MOF, une classe de composés constitués d’ions métalliques maintenus ensemble par des molécules de liaison organiques. Ils ont ensuite conçu les MOF en une seule couche, afin de fournir une surface maximale pour les réactions chimiques, et ont immergé le tout dans une solution comprenant un composé de cobalt pour faire circuler les électrons. Enfin, ils ont ajouté des acides aminés aux MOF et ont fait des expériences pour déterminer lequel fonctionnait le mieux.
Ils ont pu améliorer les deux moitiés de la réaction : le processus qui décompose l’eau et celui qui ajoute des électrons et des protons au dioxyde de carbone. Dans les deux cas, les acides aminés ont permis à la réaction de se dérouler plus efficacement.
Cependant, même avec des performances nettement améliorées, la photosynthèse artificielle a encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir produire suffisamment de carburant pour pouvoir être utilisée à grande échelle. « Là où nous en sommes aujourd’hui, il faudrait augmenter l’échelle de plusieurs ordres de grandeur pour produire une quantité suffisante de méthane pour notre consommation », a déclaré Wenbin Lin.
La percée pourrait également être appliquée à d’autres réactions chimiques ; il faut produire beaucoup de carburant pour qu’elle ait un impact, mais des quantités beaucoup plus petites de certaines molécules, comme les matières premières pour la fabrication de médicaments et de nylon, entre autres, pourraient être très utiles.
« Tant de ces processus fondamentaux sont les mêmes », conclut Wenbin Lin. « Si vous développez de bonnes chimies, elles peuvent être branchées sur de nombreux systèmes ».
https://dx.doi.org/10.1038/s41929-022-00865-5
