Obtenir suffisamment d'énergie pour répondre aux besoins humains est l'un des plus grands défis auxquels la société ait jamais été confrontée. Sources auparavant fiables—pétrole, le gaz et le charbon — dégradent la qualité de l'air, dévaster les terres et les océans et altérer l'équilibre fragile du climat mondial, par l'émission de CO2 et d'autres gaz à effet de serre. Pendant ce temps, la population mondiale qui s'industrialise rapidement devrait atteindre 10 milliards d'ici 2050. Des alternatives propres sont une nécessité urgente.

Les chercheurs du Biodesign Center for Applied Structural Discovery de l'ASU explorent de nouvelles technologies qui pourraient ouvrir la voie au nettoyage, énergie durable pour aider à répondre à la demande mondiale redoutable.

Dans de nouvelles recherches publiées dans le Journal de l'American Chemical Society ( JACS ), la revue phare de l'AEC, l'auteur principal Brian Wadsworth, avec ses collègues Anna Beiler, Diane Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz, et l'auteur correspondant Gary Moore décrivent des technologies qui combinent des semi-conducteurs collecteurs de lumière et des matériaux catalytiques capables de réactions chimiques qui produisent un carburant propre.

La nouvelle étude explore l'interaction subtile des composants principaux de ces dispositifs et décrit un cadre théorique pour comprendre les réactions sous-jacentes de formation de carburant. Les résultats suggèrent des stratégies pour améliorer l'efficacité et les performances de ces technologies hybrides, les rapprochant un peu plus de la viabilité commerciale.

La production d'hydrogène et de formes réduites de carbone par ces technologies pourrait un jour supplanter les sources de combustibles fossiles pour une large gamme de produits de base à faible teneur en carbone, y compris les carburants, plastiques et matériaux de construction.

"Dans ce travail particulier, nous avons développé des systèmes qui intègrent des technologies de capture et de conversion de la lumière avec des stratégies de stockage d'énergie à base de produits chimiques, " dit Moore, qui est professeur adjoint à l'École des sciences moléculaires de l'ASU. Plutôt que de produire directement de l'électricité à partir du soleil, cette nouvelle génération de technologie utilise l'énergie solaire pour entraîner des réactions chimiques capables de produire des carburants, qui stockent l'énergie du soleil dans des liaisons chimiques. "C'est là que la catalyse devient extrêmement importante. C'est la chimie du contrôle à la fois de la sélectivité des réactions et des besoins énergétiques globaux pour conduire ces transformations, " dit Moore.

Quelque chose de nouveau sous le soleil

L'une des sources les plus attrayantes pour le développement durable, la production d'énergie neutre en carbone est à la fois ancienne et abondante :la lumière du soleil. En effet, l'adoption des technologies de l'énergie solaire a pris de l'ampleur ces dernières années.

Appareils photovoltaïques (PV), ou des cellules solaires, recueillir la lumière du soleil et transformer l'énergie directement en électricité. Des matériaux améliorés et des coûts réduits ont fait du photovoltaïque une option énergétique attrayante, en particulier dans les États ensoleillés comme l'Arizona, avec de grands panneaux solaires couvrant plusieurs hectares capables d'alimenter des milliers de foyers.

"Mais il ne suffit pas d'avoir accès à l'énergie solaire grâce au photovoltaïque, " note Moore. De nombreuses énergies renouvelables comme la lumière du soleil et l'énergie éolienne ne sont pas toujours disponibles, le stockage de sources intermittentes est donc un élément clé de toute technologie future pour répondre aux demandes mondiales d'énergie humaine à grande échelle.

Comme l'explique Moore, emprunter une page du manuel de Nature peut aider les chercheurs à exploiter l'énergie rayonnante du soleil pour générer des carburants durables. « Une chose est claire, ", dit Moore. "Nous allons probablement continuer à utiliser des combustibles dans le cadre de notre infrastructure énergétique dans un avenir prévisible, en particulier pour les applications impliquant le transport terrestre et aérien. C'est là que la partie bioinspirée de notre recherche devient particulièrement pertinente - en se tournant vers la nature pour obtenir des conseils sur la façon dont nous pourrions développer de nouvelles technologies pour produire des carburants sans carbone ou neutres. »

Ambiance solaire

L'une des astuces les plus impressionnantes de la nature consiste à utiliser la lumière du soleil pour produire des produits chimiques riches en énergie, un processus maîtrisé il y a des milliards d'années par les plantes et autres organismes photosynthétiques. "Dans ce processus, la lumière est absorbée, et l'énergie est utilisée pour conduire une série de transformations biochimiques complexes qui produisent finalement les aliments que nous mangeons et, sur de longues échelles de temps géologiques, les carburants qui animent notre société moderne, " dit Moore.

Dans l'étude actuelle, le groupe a analysé les variables clés régissant l'efficacité des réactions chimiques utilisées pour produire du carburant grâce à divers dispositifs artificiels. "Dans ce document, nous avons développé un modèle cinétique pour décrire l'interaction entre l'absorption de la lumière à la surface du semi-conducteur, migration de charge au sein du semi-conducteur, transfert de charge vers notre couche de catalyseur puis l'étape de catalyse chimique, " a déclaré Wadsworth.

Le modèle développé par le groupe est basé sur un cadre similaire régissant le comportement des enzymes, connue sous le nom de cinétique de Michaelis-Menten, qui décrit la relation entre les vitesses de réaction enzymatique et le milieu dans lequel la réaction a lieu (ou substrat). Ici, ce modèle est appliqué à des dispositifs technologiques combinant des semi-conducteurs récupérateurs de lumière et des matériaux catalytiques pour la formation de combustible.

"Nous décrivons les activités de formation de combustible de ces matériaux hybrides en fonction de l'intensité lumineuse et aussi du potentiel, ", dit Wadsworth. (Des modèles cinétiques similaires de type Michaelis-Menten se sont avérés utiles pour analyser des phénomènes tels que la liaison antigène-anticorps, Hybridation ADN-ADN, et interaction protéine-protéine.)

En modélisant la dynamique du système, le groupe a fait une découverte surprenante. "Dans ce système particulier, nous ne sommes pas limités par la vitesse à laquelle le catalyseur peut entraîner la réaction chimique, " dit Moore. " Nous sommes limités par la capacité de fournir des électrons à ce catalyseur et de l'activer. Cela est lié à l'intensité lumineuse frappant la surface. Brian, Anne, Diane, et Edgar ont montré dans leurs expériences que l'augmentation de l'intensité lumineuse augmente le taux de formation de carburant."

La découverte a des implications pour la conception future de tels dispositifs dans le but de maximiser leur efficacité. "Le simple fait d'ajouter plus de catalyseur à la surface du matériau hybride n'entraîne pas de taux de production de carburant plus élevés. Nous devons prendre en compte les propriétés d'absorption de la lumière du semi-conducteur sous-jacent, ce qui à son tour nous oblige à réfléchir davantage à la sélection du catalyseur et à la manière dont le catalyseur s'interface avec le composant absorbant la lumière."

rayon d'espoir

Il reste beaucoup de travail à faire avant que ces solutions solaires aux combustibles ne soient prêtes pour les heures de grande écoute. Rendre des technologies comme celles-ci pratiques pour les besoins humains nécessite de l'efficacité, abordabilité et stabilité. "Les assemblages biologiques ont la capacité de s'auto-réparer et de se reproduire; les assemblages technologiques ont été limités dans cet aspect. C'est un domaine où nous pouvons apprendre davantage de la biologie, " dit Moore.

La tâche ne pouvait guère être plus urgente. La demande mondiale d'énergie devrait passer d'environ 17 térawatts aujourd'hui à 30 térawatts d'ici le milieu du siècle. En plus d'obstacles scientifiques et technologiques importants, Moore souligne que de profonds changements de politique seront également essentiels. « Il y a une vraie question de savoir comment nous allons répondre à nos futurs besoins énergétiques. Si nous allons le faire d'une manière soucieuse de l'environnement et égalitaire, il va falloir un engagement politique sérieux."

La nouvelle recherche est une étape sur la longue voie vers un avenir durable. Le groupe note que leurs découvertes sont importantes car elles sont probablement pertinentes pour un large éventail de transformations chimiques impliquant des matériaux absorbant la lumière et des catalyseurs. « Les grands principes, en particulier l'interaction entre l'intensité d'éclairage, l'absorption de la lumière et la catalyse devraient également s'appliquer à d'autres matériaux, " dit Moore.