Alors que les feuilles artificielles sont prometteuses comme moyen d'éliminer le dioxyde de carbone - un puissant gaz à effet de serre - de l'atmosphère, il y a un "côté sombre aux feuilles artificielles qui a été négligé pendant plus d'une décennie, " selon Meenesh Singh, professeur adjoint de génie chimique à l'Université de l'Illinois au Chicago College of Engineering.

Les feuilles artificielles fonctionnent en convertissant le dioxyde de carbone en carburant et l'eau en oxygène en utilisant l'énergie du soleil. Les deux processus se déroulent séparément et simultanément de part et d'autre d'une cellule photovoltaïque :l'oxygène est produit du côté « positif » de la cellule et le combustible est produit du côté « négatif ».

Singh, qui est l'auteur correspondant d'un nouvel article dans ACS Matériaux énergétiques appliqués , dit que les feuilles artificielles actuelles sont extrêmement inefficaces. Ils finissent par convertir seulement 15 % du dioxyde de carbone qu'ils absorbent en carburant et en rejettent 85 %, avec l'oxygène gazeux, retour à l'atmosphère.

"Les feuilles artificielles que nous avons aujourd'hui ne sont pas vraiment prêtes à tenir leur promesse en tant que solutions de capture du carbone car elles ne capturent pas autant de dioxyde de carbone, et en fait, libèrent la majorité du dioxyde de carbone qu'ils absorbent du côté « positif » dégageant de l'oxygène, " a déclaré Singh.

La raison pour laquelle les feuilles artificielles libèrent autant de dioxyde de carbone dans l'atmosphère a à voir avec l'endroit où le dioxyde de carbone va dans la cellule photoélectrochimique.

Lorsque le dioxyde de carbone pénètre dans la cellule, il voyage à travers l'électrolyte de la cellule. Dans l'électrolyte, le dioxyde de carbone dissous se transforme en anions bicarbonate, qui traversent la membrane vers le côté « positif » de la cellule, où l'oxygène est produit. Ce côté de la cellule a tendance à être très acide en raison de la division de l'eau en oxygène gazeux et en protons. Lorsque les anions bicarbonate interagissent avec l'électrolyte acide du côté anodique de la cellule, le dioxyde de carbone est produit et libéré avec l'oxygène gazeux.

Singh a noté qu'un phénomène similaire de libération de dioxyde de carbone se produisant dans la feuille artificielle peut être observé dans la cuisine lorsque le bicarbonate de soude (solution de bicarbonate) est mélangé avec du vinaigre (solution acide) pour libérer un pétillement de bulles de dioxyde de carbone.

Pour résoudre ce problème, Singh, en collaboration avec les chercheurs de Caltech Meng Lin, Lihao Han et Chengxiang Xiang, conçu un système qui utilise une membrane bipolaire qui empêche les anions bicarbonate d'atteindre le côté « positif » de la feuille tout en neutralisant le proton produit.

La membrane placée entre les deux faces de la cellule photoélectrochimique éloigne le dioxyde de carbone de la face acide de la feuille, empêchant son retour dans l'atmosphère. Les feuilles artificielles utilisant cette membrane spécialisée transformaient 60 à 70 % du dioxyde de carbone qu'elles absorbaient en carburant.

"Notre découverte représente une autre étape dans la réalisation des feuilles artificielles en augmentant l'utilisation du dioxyde de carbone, " a déclaré Singh.

Plus tôt cette année, Singh et ses collègues ont publié un article dans ACS Sustainable Chemistry &Engineering, où ils ont proposé une solution à un autre problème avec les feuilles artificielles :les modèles actuels utilisent du dioxyde de carbone sous pression provenant de réservoirs, pas l'atmosphère.

Il a proposé une autre membrane spécialisée qui permettrait aux feuilles de capter le dioxyde de carbone directement de l'atmosphère. Singh explique que cette idée, ainsi que les résultats rapportés dans cette publication actuelle sur l'utilisation d'une plus grande partie des captures de dioxyde de carbone, devrait aider à rendre la technologie des feuilles artificielles pleinement applicable.