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Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis

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Des photocatalyseurs hybrides transforment le CO2 en combustibles solaires respectueux de l’environnement

Grâce à la photosynthèse artificielle, HyMAP a réalisé une avancée significative dans la production de combustibles et de produits chimiques solaires. Une démonstration de matériaux hybrides, conçus pour la décomposition de l’eau et la conversion du CO2, a été réalisée de l’échelle du laboratoire au prototype de réacteur solaire.

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Imitant la nature, la photosynthèse artificielle utilise la lumière du soleil pour convertir le CO2 et l’eau en composés générateurs et libérateurs d’énergie. Mais au lieu de produire des sucres, comme c’est le cas pour les plantes vertes, la photosynthèse artificielle permet de produire du monoxyde de carbone (CO), du méthane (CH4), du méthanol (CH3OH) et de l’hydrogène (H2), des combustibles verts d’intérêt. Le projet HyMAP (Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis), financé par le Conseil européen de la recherche (CER), a été mis sur pied pour développer une nouvelle génération de matériaux et de dispositifs hybrides organiques‑inorganiques permettant d’effectuer les transformations chimiques nécessaires à la photosynthèse artificielle. Cela ouvrirait la voie au développement d’alternatives vertes aux électrodes de stockage électrochimique des batteries. L’équipe a étudié la photo(électro)catalyse, à différentes échelles, des catalyseurs à l’échelle nanométrique aux réacteurs d’usine pilote, en créant de nouveaux matériaux hybrides photoactifs. «Nos résultats, en particulier ceux qui augmentent le rendement, sont à la pointe des connaissances dans le domaine de la conversion du CO2, ce qui marque une étape importante pour ce domaine de recherche», déclare Victor A de la Peña O’Shea, chercheur principal et rattaché à l’IMDEA Energy Institute. En conséquence, les résultats scientifiques sont largement diffusés dans des revues de premier plan. La nouvelle famille de semi‑conducteurs organiques du projet, fabriqués à partir de polymères poreux conjugués, a déjà été brevetée pour la production de combustibles solaires.

Des matériaux hybrides

L’objectif principal d’HyMAP était d’améliorer la capacité des systèmes multifonctionnels à récolter la lumière de l’ensemble du spectre solaire. Pour y parvenir, l’équipe s’est penchée sur les photocatalyseurs hybrides, en étudiant plusieurs matériaux et approches. Les différentes stratégies adoptées étaient (i) l’ingénierie de la bande interdite des semi‑conducteurs inorganiques et (ii) organiques, (iii) ainsi que leurs hétérojonctions connexes, (iv) les cadres organométalliques (MOF) et (v) la conversion ascendante (UC). Les quatre premières options permettent de récolter l’ultraviolet ainsi que les régions visibles du spectre lumineux, tandis que les UC améliorent la récolte des longueurs d’onde infrarouges. Il est important de noter que les semi‑conducteurs inorganiques et organiques améliorent la génération et le transfert de charges, ce qui augmente le rendement photocatalytique. «La combinaison de différents matériaux, chacun étant spécialisé dans les différentes fonctions des réactions photocatalytiques, principalement l’absorption de la lumière, la séparation des charges et la catalyse, a permis d’améliorer le rendement global», explique Victor A de la Peña O’Shea. Les mécanismes de réaction de ces matériaux ont été caractérisés en laboratoire à l’aide de diverses techniques in situ avancées, notamment la spectroscopie photoélectronique par rayons X à pression quasi ambiante, la diffraction des rayons X et le rayonnement synchrotron.

Un réacteur solaire

Les études de l’équipe ayant révélé que les hétérojonctions semi‑conductrices hybrides organiques/inorganiques réalisées à partir d’un polymère poreux conjugué étaient particulièrement performantes, ils ont conçu un réacteur solaire en phase gazeuse. Il comportait un réflecteur solaire, un collecteur parabolique composé, qui redirige l’intégralité du rayonnement solaire reçu vers le réacteur, et un réacteur tubulaire annulaire fabriqué en verre borosilicate, plus résistant aux températures élevées. Ce prototype de réacteur a permis de produire avec succès de l’hydrogène solaire à partir d’eau et de biomasse, ainsi qu’à partir d’autres combustibles ou produits chimiques, comme le CO, le CH4 et le CH3OH, en utilisant le CO2 comme réactif. «Ces excellents résultats en matière de production de combustible solaire ont déjà débouché sur une usine pilote, ce qui accroît nos connaissances et nous permet d’affiner les processus avant d’envisager des débouchés commerciaux», déclare Victor A de la Peña O’Shea. «Nous devons élargir l’utilisation de ces matériaux hybrides pour d’autres réactions, au‑delà de la photocatalyse pour inclure la photo(électro)catalyse, pour des combustibles et des produits chimiques plus sophistiqués, comme l’ammoniac, l’éthylène et l’éther diméthylique.»

Une mise à l’échelle pour relever de nouveaux défis

L’équipe HyMAP a déjà lancé un projet connexe de validation du concept financé par le CER, NanoCPPs, afin de développer une preuve de concept permettant de mettre à l’échelle ses polymères poreux conjugués nanostructurés. «La nanostructure de ce polymère offre des propriétés améliorées, ce qui ouvre la voie à une amélioration des performances», ajoute‑t‑il. Le défi qui reste à relever consiste à maximiser les propriétés électroniques de ces systèmes afin que les alternatives écologiques proposées pour remplacer les électrodes de stockage électrochimique actuelles des batteries puissent réellement être mises en avant et devenir réalité.

Mots‑clés

HyMAP, photosynthèse artificielle, hydrogène, combustibles solaires, nano, photocatalytique, organique, inorganique, semi‑conducteurs, matériaux hybrides, vert

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