Un échantillon du matériau de tuile de combustible solaire, fabriqué par dépôt de couche atomique à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. Crédit :Marilyn Sargent/Laboratoire de Berkeley
Le scientifique Heinz Frei a passé des décennies à travailler à la construction d'une version artificielle de l'une des machines les plus élégantes et les plus efficaces de la nature :la feuille.
Frei, et de nombreux autres chercheurs dans le monde, chercher à utiliser la photosynthèse - la réaction chimique induite par la lumière du soleil que les plantes vertes et les algues utilisent pour convertir le dioxyde de carbone (CO
Avec leur dernière avancée, Frei et son équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie se rapprochent maintenant de cet objectif. Les scientifiques ont développé un système de photosynthèse artificielle, constitué de tubes nanométriques, qui semble capable d'effectuer toutes les étapes clés de la réaction génératrice de combustible.
Leur dernier article, Publié dans Matériaux fonctionnels avancés , démontre que leur conception permet l'écoulement rapide de protons depuis l'espace intérieur du tube, où ils sont générés à partir de la division des molécules d'eau, vers l'extérieur, où ils se combinent avec le CO
Maintenant que l'équipe a montré comment les tubes peuvent effectuer individuellement toutes les tâches de photosynthèse, ils sont prêts à commencer à tester le système complet. L'unité individuelle du système sera de petites "tuiles de combustible solaire" carrées (plusieurs pouces de côté) contenant des milliards de tubes nanométriques pris en sandwich entre un sol et un plafond de minces, silicate légèrement flexible, avec les ouvertures du tube perçant à travers ces couvercles. Frei espère que les carreaux de son groupe pourraient être les premiers à surmonter les principaux obstacles auxquels ce type de technologie est encore confronté.
"Il y a deux défis qui n'ont pas encore été relevés, " dit Frei, qui est un scientifique principal dans le domaine des biosciences du Berkeley Lab. "L'un d'eux est l'évolutivité. Si nous voulons garder les combustibles fossiles dans le sol, nous devons être capables de produire de l'énergie en térawatts, une énorme quantité de carburant. Et, vous devez fabriquer un hydrocarbure liquide pour que nous puissions l'utiliser avec les milliers de milliards de dollars d'infrastructures et de technologies existantes. »
Il a noté qu'une fois qu'un modèle répondant à ces exigences est fabriqué, la construction d'une ferme à combustible solaire à partir de nombreuses tuiles individuelles pourrait se dérouler rapidement. "Nous, en tant que scientifiques fondamentaux, besoin de livrer une tuile qui fonctionne, avec toutes les questions sur ses performances réglées. Et les ingénieurs de l'industrie savent comment connecter ces tuiles. Quand nous avons compris les pouces carrés, ils pourront faire des milles carrés."
Une image de microscopie (figure du haut) des nanotubes, généré dans une feuille et un schéma (image du bas) des couches dont chaque petit tube est composé. Intégrés dans la couche de silice se trouvent des "fils moléculaires" constitués de courtes chaînes d'hydrocarbures qui se fixent à l'oxyde de cobalt à l'intérieur et se connectent à la frontière silice-dioxyde de titane du côté opposé. Ces fils conduisent des charges, qui sont générés par des molécules absorbant la lumière à cette frontière, à travers la membrane jusqu'à l'oxyde de cobalt, permettant l'oxydation de l'eau. Crédit :Berkley Lab
Comment ça fonctionne
Chaque minuscule (environ 0,5 micromètre de large), le tube creux à l'intérieur de la tuile est composé de trois couches :une couche intérieure d'oxyde de cobalt, une couche intermédiaire de silice, et une couche externe de dioxyde de titane. Dans la couche intérieure du tube, l'énergie solaire fournie à l'oxyde de cobalt divise l'eau (sous forme d'air humide qui circule à l'intérieur de chaque tube), produisant des protons libres et de l'oxygène.
"Ces protons traversent facilement la couche externe, où ils se combinent avec du dioxyde de carbone pour former du monoxyde de carbone maintenant - et du méthanol dans une étape future - dans un processus activé par un catalyseur supporté par la couche de dioxyde de titane, " a déclaré Won Jun Jo, un stagiaire postdoctoral et premier auteur de l'article. "Le carburant s'accumule dans l'espace entre les tubes, et peut être facilement vidé pour la collecte."
Surtout, la couche médiane de la paroi du tube maintient l'oxygène produit par l'oxydation de l'eau à l'intérieur du tube, et empêche le dioxyde de carbone et les molécules de carburant en évolution à l'extérieur de pénétrer à l'intérieur, séparant ainsi les deux zones de réaction chimique très incompatibles.
Cette conception imite les cellules photosynthétiques vivantes réelles, qui séparent les réactions d'oxydation et de réduction avec des compartiments membranaires organiques à l'intérieur du chloroplaste. De même en ligne avec le plan original de la nature, les tubes membranaires de l'équipe permettent à la réaction photosynthétique de se produire sur une très courte distance, minimiser la perte d'énergie qui se produit lorsque les ions se déplacent et empêcher les réactions chimiques involontaires qui réduiraient également l'efficacité du système.
"Ce travail fait partie de l'engagement de Berkeley Lab à apporter des solutions aux défis énergétiques urgents posés par le changement climatique, " a déclaré Frei. " La nature interdisciplinaire de la tâche nécessite l'étendue de l'expertise et des installations majeures uniques à Berkeley Lab. En particulier, les capacités de nanofabrication et d'imagerie de la fonderie moléculaire sont essentielles pour synthétiser et caractériser les couches ultrafines et fabriquer des matrices de nanotubes creux de la taille d'un pouce carré. »
