Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont doublé l'efficacité d'un combo chimique qui capture la lumière et divise les molécules d'eau afin que les blocs de construction puissent être utilisés pour produire de l'hydrogène. Leur étude, sélectionné comme « Choix des rédacteurs » de l'American Chemical Society qui figurera sur la couverture du Journal de chimie physique C , fournit une plate-forme pour développer des améliorations révolutionnaires dans la soi-disant photosynthèse artificielle, une imitation en laboratoire du processus naturel visant à générer de l'énergie propre à partir de la lumière du soleil.

Dans la photosynthèse naturelle, les plantes vertes utilisent la lumière du soleil pour transformer l'eau (H 2 O) et le dioxyde de carbone (CO 2 ) en glucides tels que le sucre et les amidons. L'énergie de la lumière du soleil est stockée dans les liaisons chimiques qui maintiennent ces molécules ensemble.

De nombreuses stratégies de photosynthèse artificielle commencent par rechercher des moyens d'utiliser la lumière pour diviser l'eau en ses constituants, hydrogène et oxygène, ainsi, l'hydrogène peut plus tard être combiné avec d'autres éléments - idéalement le carbone du dioxyde de carbone - pour fabriquer des carburants. Mais même obtenir la recombinaison des atomes d'hydrogène sous forme d'hydrogène pur (H 2 ) est une étape vers la production de combustibles propres à l'énergie solaire.

Pour obtenir la division de l'eau, les scientifiques ont exploré un large éventail de molécules absorbant la lumière (également appelées chromophores, ou colorants) associés à des catalyseurs chimiques qui peuvent séparer les très fortes liaisons hydrogène-oxygène de l'eau. La nouvelle approche utilise des "attaches" moléculaires - de simples chaînes carbonées qui ont une grande affinité les unes pour les autres - pour attacher le chromophore au catalyseur. Les attaches maintiennent les particules suffisamment proches les unes des autres pour transférer les électrons du catalyseur au chromophore - une étape essentielle pour l'activation du catalyseur - mais les maintiennent suffisamment éloignées les unes des autres pour que les électrons ne reviennent pas vers le catalyseur.

"Les électrons se déplacent rapidement, mais les réactions chimiques sont beaucoup plus lentes. Donc, pour donner au système le temps que la réaction de séparation de l'eau se produise sans que les électrons retournent vers le catalyseur, vous devez séparer ces charges, " a expliqué Javier Concepcion, chimiste du Brookhaven Lab, qui a mené le projet.

Dans la configuration complète, les chromophores (fixés au catalyseur) sont noyés dans une couche de nanoparticules sur une électrode. Chaque nanoparticule est constituée d'un noyau de dioxyde d'étain (SnO2) entouré d'un dioxyde de titane (TiO 2 ) coquille. Ces différents composants assurent une efficacité, navette progressive des électrons pour continuer à éloigner les particules chargées négativement du catalyseur et les envoyer là où elles sont nécessaires pour fabriquer du carburant.

Voici comment cela fonctionne du début à la fin :La lumière frappe le chromophore et donne à un électron suffisamment de secousse pour l'envoyer du chromophore à la surface de la nanoparticule. De là, l'électron se déplace vers le noyau de la nanoparticule, puis hors de l'électrode à travers un fil. Pendant ce temps, le chromophore, ayant perdu un électron, tire un électron du catalyseur. Tant qu'il y a de la lumière, ce processus se répète, envoyer des électrons circulant du catalyseur au chromophore à la nanoparticule au fil.

Chaque fois que le catalyseur perd quatre électrons, il s'active avec une charge positive suffisamment importante pour voler quatre électrons à deux molécules d'eau. Cela brise l'hydrogène et l'oxygène. L'oxygène s'échappe sous forme de gaz (dans la photosynthèse naturelle, c'est ainsi que les plantes fabriquent l'oxygène que nous respirons !) tandis que les atomes d'hydrogène (maintenant des ions car ils sont chargés positivement) diffusent à travers une membrane vers une autre électrode. Là, ils se recombinent avec les électrons transportés par le fil pour produire de l'hydrogène gazeux, du carburant !

Miser sur l'expérience

L'équipe de Brookhaven avait essayé une version antérieure de cette configuration chromophore-catalyseur où le colorant absorbant la lumière et les particules de catalyseur étaient connectés beaucoup plus étroitement avec des liaisons chimiques directes au lieu d'attaches.

"C'était très difficile à faire, en prenant de nombreuses étapes de synthèse et de purification, et il a fallu plusieurs mois pour fabriquer les molécules, " a déclaré Concepcion. " Et la performance n'a pas été si bonne à la fin. "

En revanche, attacher les attaches de la chaîne carbonée aux deux molécules leur permet de s'auto-assembler.

"Il suffit de tremper l'électrode recouverte des chromophores dans une solution dans laquelle le catalyseur est suspendu et les attaches des deux types de molécules se trouvent et se relient, " a déclaré Lei Wang, étudiant diplômé de l'Université Stony Brook, un co-auteur de l'article actuel et auteur principal d'un article publié plus tôt cette année qui décrivait la stratégie d'auto-assemblage.

Le nouveau document comprend des données montrant que le système avec des connexions attachées est considérablement plus stable que les composants directement connectés, et il a généré deux fois la quantité de courant - le nombre d'électrons circulant dans le système.

"Plus vous générez d'électrons à partir de la lumière entrante, plus vous disposez pour produire de l'hydrogène carburant, " a déclaré Concepción.

Les scientifiques ont également mesuré la quantité d'oxygène produite.

"Nous avons constaté que ce système, en utilisant la lumière visible, est capable d'atteindre des rendements remarquables pour la division de l'eau par la lumière, " a déclaré Concepción.

Mais il y a encore de la place pour l'amélioration, il a noté. "Ce que nous avons fait jusqu'à présent permet de fabriquer de l'hydrogène. Mais nous aimerions passer à la fabrication de carburants à base d'hydrocarbures à plus haute valeur ajoutée." Maintenant qu'ils disposent d'un système leur permettant d'échanger facilement des composants et d'expérimenter d'autres variables, ils sont prêts à explorer les possibilités.

"L'un des aspects les plus importants de cette configuration n'est pas seulement la performance, mais la facilité de montage, " a déclaré Concepción.

"Parce que ces combinaisons de chromophores et de catalyseurs sont si faciles à faire, et les attaches nous donnent tellement de contrôle sur la distance qui les sépare, maintenant nous pouvons étudier, par exemple, quelle est la distance optimale. Et nous pouvons faire des expériences combinant différents chromophores et catalyseurs sans avoir à faire beaucoup de synthèse complexe pour trouver les meilleures combinaisons, " at-il dit. " La polyvalence de cette approche nous permettra de faire des études fondamentales qui n'auraient pas été possibles sans ce système. "