Des chercheurs de l’Université technique de Munich ont pu développer un gaz de synthèse et un système de batteries alternatives grâce à un « piège » à lumière sophistiqué

Les plantes produisent de l’énergie à partir de la lumière du soleil grâce à la photosynthèse. Des chercheurs de l’Université technique de Munich (TUM) se sont basés sur ce principe pour développer de nouveaux procédés durables qui pourraient permettre à l’avenir de produire du gaz de synthèse pour la grande industrie chimique et de recharger des batteries.

 

Le gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène, est un produit intermédiaire pour la production de nombreux produits chimiques de base tels que l’ammoniac, le méthanol et les carburants synthétiques à base d’hydrocarbures. « Cependant, le gaz de synthèse est actuellement produit presque exclusivement à base de matières premières fossiles », explique le prof. Roland Fischer de la chaire de chimie inorganique et organométallique de la TUM.

Une poudre légèrement jaune, développée par une équipe de chercheurs autour de Rolland Fischer, pourrait changer la donne. Les scientifiques se sont inspirés de la photosynthèse, processus par lequel les plantes produisent de l’énergie chimique à partir de la lumière. « La nature a besoin de dioxyde de carbone et d’eau pour cela », explique Rolland Fischer. Le nanomatériau développé par les chercheurs imite les propriétés des enzymes impliquées dans la photosynthèse. Le « nanozyme » doit produire du gaz de synthèse à partir de dioxyde de carbone, d’eau et de lumière.

 

Philip Stanley, qui a travaillé sur ce sujet dans le cadre de sa thèse de doctorat, explique : « Une molécule joue le rôle d’une antenne énergétique analogue à une molécule de chlorophylle des plantes. La lumière est ainsi captée et les électrons sont transmis à un centre de réaction, le catalyseur ». L’innovation du système: deux centres de réaction couplés à l’antenne. Dans l’un, le dioxyde de carbone est transformé en monoxyde de carbone et dans l’autre, l’hydrogène est produit à partir de l’eau. Le grand défi lors de la construction du système, a été d´avoir réussi à disposer  l’antenne, le mécanisme de transmission des électrons et les deux catalyseurs de manière à obtenir le meilleur rendement lumineux possible.

Cet objectif semble avoir été atteint. « le rendement énergétique de 36 pour cent à partir de la lumière est suffisamment élevé », déclare Stanley. « Nous pouvons convertir jusqu’à un photon ( particule de lumière) sur trois en énergie chimique. Les systèmes précédents ne dépassaient pas une particule sur dix. Ce résultat laisse espérer qu’une mise en œuvre standardisée pourrait rendre les processus chimiques industriels plus durables ».

 

Dans la perspective d´ une autre application , les chercheurs travaillent sur un autre matériau qui utilise l’énergie électrique du soleil – mais qui, dans ce cas, la stocke sous forme d’énergie électrique. « Une application future pourrait être le chargement de batteries à la lumière du soleil, sans passer par la prise électrique », explique Rolland Fischer.

Pour le développement de ces photocondensateurs originaux, les chercheurs ont utilisé des composants similaires à ceux du nanozyme. Ici aussi, le matériau absorbe les photons de la lumière incidente. Mais au lieu de servir ensuite de catalyseur pour une réaction chimique, le récepteur d’énergie est étroitement intégré dans la structure afin qu´il conserve son état et permette un stockage à long terme des électrons. La faisabilité du système a été démontrée par les chercheurs en laboratoire.

 

« Il y a deux façons d’utiliser directement l’énergie solaire », résume le Dr Julien Warnan, candidat à l’habilitation et chef du groupe Photocatalyse. « Soit nous en tirons de l’énergie électrique, soit nous utilisons cette énergie pour alimenter des réactions chimiques. Avec deux procédés basés sur le même principe, nous avons réussi à obtenir expérimentalement  les deux réactions ».

Source : Université technique de Munich

 

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Contacts scientifiques :

Prof. Dr. Roland Fischer

Université technique de Munich

Chaire de chimie inorganique et organométallique

+49 89 289 13080

roland.fischer@tum.de

https://www.ch.nat.tum.de/amc/home/

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Publication originale :

Stanley, P.M., Haimerl, J., Shustova, N.B., Fischer, R. A., Warnan, J., Merging molecular catalysts and metal-organic frameworks for photocatalytic fuel production. Nat. Chem. 2022, 14, 1342-1356. https://doi.org/10.1038/s41557-022-01093-x

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