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Un rayon de soleil sur la recherche relative aux combustibles chimiques renouvelables

Les combustibles chimiques renouvelables produits à partir du soleil sont-ils enfin à notre porte? Une nouvelle génération de photocatalyseurs organiques portant le nom de cadres organiques covalents pourrait contribuer à la réalisation d’une photosynthèse artificielle efficace et très ajustable.

Changement climatique et Environnement
Énergie

Les plantes constituent l’une des plus belles pièces d’ingénierie de la nature. Elles capturent de grandes quantités de CO2 de l’atmosphère, génèrent l’oxygène que nous respirons et sont capables de créer de l’énergie chimique à partir du soleil. Cette dernière capacité en fait même une importante source d’inspiration pour les chercheurs qui tentent de mettre au point des alternatives écologiques aux combustibles chimiques. Mais beaucoup se heurtent à un mur en essayant de reproduire ce processus. «Concevoir une plateforme capable de recueillir la lumière du soleil et de la convertir en énergie chimique de combustible constitue assurément un défi», déclare Bettina Lotsch, directrice de l’Institut Max Planck pour la recherche sur l’état solide et chercheuse principale du projet COFLeaf (Fuel from sunlight: Covalent organic frameworks as integrated platforms for photocatalytic water splitting and CO2 reduction), financé par le CER. «Il s’agit essentiellement d’un défi portant sur les matériaux. Nous devons orchestrer une suite complexe de processus physicochimiques, chacun ayant ses propres exigences en matière de temps et de matériaux, dans une plateforme composée de matériaux abondants sur terre et stables.» Grâce à sa subvention du CER, Bettina Lotsch souhaitait développer des photocatalyseurs de nouvelle génération capables de relever ce défi. Elle a également décidé de s’écarter des photocatalyseurs inorganiques, souvent toxiques, onéreux et difficiles à ajuster. Elle s’est donc tournée vers les systèmes organiques, ajustables «depuis l’atome». «Nos matériaux sont appelés des cadres organiques covalents (COF, pour “covalent organic frameworks”). Ils sont un peu similaires à la machinerie photosynthétique naturelle d’une plante: à base de carbone, très polyvalents, bien définis sur le plan moléculaire et réactifs aux outils disponibles dans la synthèse organique», explique Bettina Lotsch. Les COF peuvent être considérés comme un pont entre les molécules organiques et les matériaux à l’état solide. Des composés organiques simples sont liés entre eux pour former des COF, ce qui rend les matériaux ainsi engendrés ajustables du point de vue de leur composition en recourant à une chimie simple. Contrairement à d’autres matériaux polymères organiques, les COF bénéficient également d’une structure facile à étudier. En tant que cristaux, ils sont en effet accessibles à une série de sondes microscopiques et de diffraction qui fournissent des informations uniques sur leurs structures à l’état solide. «Les COF offrent de nombreux avantages», souligne Bettina Lotsch. «Le degré d’ajustabilité de leur composition et de leur structure est exceptionnellement élevé, ce qui les distingue des polymères classiques. En outre, leur porosité structurale leur confère un avantage sur d’autres photocatalyseurs au regard de la superficie. Le principe de base stipule que plus la superficie est grande, meilleure est l’activité catalytique.»

Un nouveau domaine de recherche prometteur

Après cinq années de recherche, Bettina Lotsch et son équipe ont pu démontrer avec succès que les COF montrent un grand potentiel en tant que systèmes de conversion d’énergie abondants sur terre et très ajustables. Un potentiel tel qu’il a ouvert la voie à un nouveau domaine de recherche appelé «photocatalyse douce». Le résultat le plus important du projet semble être sa démonstration que les COF peuvent exploiter efficacement la lumière et la convertir en énergie chimique comme l’hydrogène. Les nouveaux systèmes photocatalytiques sont abondants sur terre et opérationnels dans des conditions aqueuses. Ils pourraient même être rendus chimiquement résistants dans des conditions photocatalytiques rigoureuses, grâce à des stratégies chimiques innovantes. «Nous avons également démontré ce qui a jusqu’à présent été – et reste encore – l’un des Saint-Graal de la photocatalyse. Nous pouvons ajuster les paramètres déterminants de l’activité avec une précision de niveau atomique. Enfin, nous avons mis au point des plateformes photocatalytiques hétérogènes “tout en un site unique” avec une précision moléculaire. Elles peuvent non seulement réduire le recours à des métaux chers et nobles durant la photocatalyse, mais également servir de plateformes pour mieux comprendre le mécanisme de réaction photocatalytique.» Enfin, les efforts de Bettina Lotsch pourraient contribuer au développement de plateformes photosynthétiques artificielles efficaces et très ajustables recourant à des polymères organiques. Alors que les applications commerciales ne sont pas encore à l’ordre du jour, l’élaboration de batteries solaires pour une catégorie de polymères appelés nitrures de carbone, ainsi que de concepts tels que la «photocatalyse sombre» différée, constituent déjà des pistes de recherche prometteuses. Parmi les autres applications possibles figurent notamment la fixation de l’azote et la valorisation de la biomasse ou des microplastiques.

Mots‑clés

COFLeaf, photosynthèse, batteries solaires, COF, lumière du soleil, combustible chimique

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