fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Université de Nottingham (University of Nottingham) ont mis au point un matériau catalytique activé par l'énergie solaire, capable de réduire le dioxyde de carbone et d'oxyder des déchets organiques en une seule action photonique, générant ainsi des produits chimiques de valeur dans les deux réactions. Les résultats ont été publiés dans Communications Materials, une revue du groupe Nature Publishing.
Ce réacteur photoélectrochimique (PEC) sans polarisation est composé de deux compartiments reliés, chacun contenant un catalyseur nouvellement développé. Lorsque la lumière solaire éclaire l'un des compartiments, chaque photon déclenche l'oxydation d'une molécule de déchet biologique, et les électrons libérés sont transférés au second compartiment, où ils réduisent le dioxyde de carbone (CO₂) en formiate. Ce processus produit deux produits utiles à partir de l'énergie d'un seul photon : un produit chimique issu d'un gaz à effet de serre, largement utilisé dans les textiles, les peintures et les produits pharmaceutiques, et un précurseur issu de déchets biologiques, pouvant servir à fabriquer des plastiques biosourcés de nouvelle génération.
Le Dr Madasamy Thangamuthu, assistant de recherche à l'École de chimie de l'Université de Nottingham, qui a conçu le réacteur PEC et le catalyseur, explique que le cœur du processus est une photoanode nanostructurée composée de semi-conducteurs en nitrure de carbone et en oxyde de tungstène, renforcée par une couche d'oxyde de cobalt, et couplée à une cathode dans le second compartiment. Lorsqu'un photon de la lumière solaire frappe la photoanode, le processus démarre, générant un électron qui est transmis à la cathode pour réduire le CO₂, tandis que les trous restants sur la photoanode oxydent simultanément les molécules d'acide 5-hydroxyméthyl-2-furanoïque (HMFA).
Les tests montrent que ce réacteur PEC atteint une efficacité d'environ 93 % pour la conversion du CO₂ en formiate et d'environ 95 % pour l'oxydation de la biomasse, démontrant une utilisation très efficace de l'énergie photonique. Comme la conversion est uniquement alimentée par l'énergie solaire, sans apport de chaleur ou d'électricité supplémentaire, cette méthode offre une nouvelle voie pour la production durable de produits chimiques.
Le Dr Vincenzo Taresco, professeur assistant à l'École de chimie, souligne que la production durable de polymères est l'un des défis clés actuels. Bien que la chimie des matériaux progresse rapidement, de nouvelles stratégies sont nécessaires pour piloter efficacement les réactions. Ce processus propre utilisant la lumière solaire garantit que l'énergie durable alimente une chimie durable.
Contrairement à de nombreux catalyseurs existants qui dépendent de matériaux coûteux ou rares, les nouveaux catalyseurs développés par l'équipe de l'Université de Nottingham sont fabriqués à partir d'éléments abondants sur Terre, ce qui les rend plus adaptés à une mise à l'échelle. Une analyse du cycle de vie a confirmé les avantages environnementaux de ce processus, soulignant son potentiel dans la production de produits chimiques à faible teneur en carbone. À l'avenir, ce système catalytique pourrait être étendu à un usage industriel.
Le Dr Jesum Alves Fernandes, professeur associé à l'École de chimie et expert en catalyse hétérogène, estime que la méthode de fabrication du catalyseur est cruciale pour le succès futur de cette technologie. La méthode unique de l'équipe pour assembler des atomes métalliques à la surface — en ajustant leur taille, leur forme et leur composition — est essentielle pour étendre ce travail à d'autres processus chimiques et renforcer encore l'utilisation du CO₂. L'équipe avait déjà rapporté l'assemblage de catalyseurs à partir d'atomes individuels à la surface, pour fabriquer des catalyseurs efficaces pour la production d'hydrogène et la conversion du CO₂ en méthanol.
Les chercheurs estiment que cette méthode pourrait être développée davantage et intégrée à des sources industrielles de CO₂ et à des bioraffineries, permettant une production chimique distribuée et durable. Le professeur Andrei Khlobystov, spécialiste des nanomatériaux à l'École de chimie, déclare que cette découverte ouvre de nouvelles opportunités pour capter directement la lumière solaire tout en relevant deux défis mondiaux simultanément.
Ce travail est soutenu par le projet financé par le programme EPSRC « Atomes métalliques sur les surfaces et interfaces pour un avenir durable (MASI) », et représente une étape importante vers la réduction de la dépendance aux métaux coûteux dans la production d'hydrogène, contribuant ainsi à une économie circulaire et à faible émission de carbone.
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