Une image au microscope électronique montre les nanofils semi-conducteurs. Ceux-ci délivrent des électrons aux nanoparticules métalliques, qui transforment le dioxyde de carbone et l'eau en méthane. Crédit :Baowen Zhou
Une nouvelle approche de la photosynthèse artificielle utilise la lumière du soleil pour transformer le dioxyde de carbone en méthane, ce qui pourrait aider à rendre les appareils alimentés au gaz naturel neutres en carbone.
Le méthane est le principal composant du gaz naturel. La photosynthèse est le processus par lequel les plantes vertes utilisent la lumière du soleil pour se nourrir à partir de dioxyde de carbone et d'eau, libérant de l'oxygène comme sous-produit. La photosynthèse artificielle vise souvent à produire des carburants hydrocarbonés, similaire au gaz naturel ou à l'essence, à partir des mêmes matières premières.
La méthode de génération de méthane est rendue possible par un nouveau catalyseur développé grâce à une collaboration entre l'Université du Michigan, Université McGill et Université McMaster. Un article sur les résultats est publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences .
Le catalyseur à énergie solaire est fabriqué à partir de matériaux abondants et fonctionne dans une configuration qui pourrait être produite en série. Les chercheurs pensent qu'il pourrait recycler le dioxyde de carbone de la cheminée en carburant à combustion propre d'ici 5 à 10 ans.
"Trente pour cent de l'énergie aux États-Unis provient du gaz naturel, " dit Zetian Mi, U-M professeur de génie électrique et d'informatique, qui a codirigé le travail avec Jun Song, professeur de génie des matériaux à l'Université McGill. « Si nous pouvons générer du méthane vert, c'est un gros problème."
La principale avancée est que l'équipe a exploité des courants électriques relativement importants avec un appareil qui devrait être possible de produire en masse. Il est également particulièrement efficace pour canaliser cette électricité vers la formation de méthane, avec la moitié des électrons disponibles allant vers des réactions produisant du méthane plutôt que vers des sous-produits comme l'hydrogène ou le monoxyde de carbone.
"Les précédents dispositifs de photosynthèse artificielle fonctionnent souvent à une petite fraction de la densité de courant maximale d'un dispositif au silicium, alors qu'ici nous fonctionnons à 80 ou 90 pour cent du maximum théorique en utilisant des matériaux prêts à l'emploi et des catalyseurs abondants en terre, " dit Baowen Zhou, un chercheur postdoctoral dans le groupe de Mi travaillant sur ce projet.
Transformer le dioxyde de carbone en méthane est un processus très difficile. Le carbone doit être récupéré à partir du CO
La conception du catalyseur est essentielle au succès de la réaction.
"La question à un million de dollars est de savoir comment naviguer rapidement dans l'énorme espace des matériaux pour identifier la recette optimale, " dit la chanson.
Les travaux théoriques et informatiques de son équipe ont permis d'identifier le composant clé du catalyseur :les nanoparticules de cuivre et de fer. Le cuivre et le fer s'accrochent aux molécules par leurs atomes de carbone et d'oxygène, gagner du temps pour que l'hydrogène fasse le saut des fragments de la molécule d'eau à l'atome de carbone.
L'appareil est une sorte de panneau solaire parsemé de nanoparticules de cuivre et de fer. Il peut utiliser l'énergie du soleil ou un courant électrique pour décomposer le dioxyde de carbone et l'eau.
La couche de base est une plaquette de silicium, un peu comme ceux déjà présents dans les panneaux solaires. Cette plaquette est surmontée de nanofils, chaque 300 nanomètres (0.0003 millimètres) de haut et environ 30 nanomètres de large, en nitrure de gallium semi-conducteur.
L'agencement crée une grande surface sur laquelle les réactions peuvent se produire. Les nanofils mouchetés de nanoparticules sont recouverts d'un mince film d'eau.
L'appareil peut être conçu pour fonctionner uniquement à l'énergie solaire, ou la production de méthane peut être augmentée avec un supplément d'électricité. Alternativement, fonctionnant à l'électricité, l'appareil pourrait potentiellement fonctionner dans l'obscurité.
En pratique, le panneau de photosynthèse artificielle devrait être connecté à une source de dioxyde de carbone concentré, par exemple, dioxyde de carbone capté dans les cheminées industrielles. Le dispositif peut également être configuré pour produire du gaz naturel synthétique (syngas) ou de l'acide formique, un conservateur courant dans l'alimentation animale.
