Le carburant idéal

Par une journée ensoleillée sur le campus de l'Université de Californie à Berkeley, le bruissement paisible des eucalyptus contredit l'activité chimique furieuse qui se produit à l'intérieur de chaque feuille. Grâce à la photosynthèse, les feuilles utilisent l'énergie du soleil pour transformer l'eau et le dioxyde de carbone en substances dont les plantes ont besoin, n'émettant que de l'oxygène dans le processus. Dans un laboratoire voisin, le chimiste Peidong Yang construit un système artificiel qui fait la même chose, en utilisant des réseaux de nanofils couplés à des bactéries modifiées. Si jamais quelque chose comme ça était mis à l'échelle, cela produirait une meilleure version des carburants que nous utilisons aujourd'hui, une version qui n'ajoute pas à la quantité totale de dioxyde de carbone dans l'air.





Peidong Yang

La photosynthèse a été très difficile à imiter en laboratoire. Dans les années 1970, des chercheurs de l'Université de Tokyo ont montré pour la première fois qu'un appareil à énergie solaire pouvait faire ce que font les plantes lors de la première étape de la photosynthèse : diviser l'eau en hydrogène et en oxygène. Après un premier sursaut d'activité, le champ a stagné. Mais elle renaît dans plusieurs labos grâce à un recentrage sur la problématique énergétique et le changement climatique… et grâce à l'émergence de nouvelles technologies.

1. Ce petit réacteur rempli de précurseurs chimiques et d'eau est chauffé dans un four pour faire croître des nanofils de dioxyde de titane.



2. Des nanofils de silicium sont développés à partir de précurseurs gazeux traversant ce réacteur.

3. Les nanofils de silicium peuvent également être développés sur de plus grandes surfaces telles que cette plaquette. Il est coupé en morceaux qui servent d'électrodes à l'intérieur de l'appareil.

4. Les bactéries dans cet incubateur seront ensemencées sur une électrode pour agir comme des catalyseurs vivants.



Et après?

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2016

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Le laboratoire de Yang améliore une conception de base qui a été développée dans les années 1970 au Laboratoire national des énergies renouvelables. Il comporte deux électrodes sensibles à la lumière recouvertes d'un catalyseur - Yang utilise du nickel, qui est peu coûteux - qui, ensemble, séparent l'eau en oxygène et en hydrogène. Dans la configuration d'origine, les électrodes étaient plates, mais Yang utilise à la place des réseaux de nanofils fabriqués à partir de silicium et d'autres semi-conducteurs. Parce que les nanofils ont 100 fois la surface des électrodes plates qui pourraient tenir dans le même espace, ils peuvent contenir plus de catalyseur, augmentant considérablement l'efficacité de la réaction.

Cependant, la séparation de l'eau est la moitié facile de la photosynthèse. Les plantes vont plus loin en utilisant l'hydrogène de l'eau dans des réactions qui transforment le carbone de l'air en molécules complexes. Yang veut le faire aussi. Après tout, nos avions et nos voitures ne fonctionnent pas à l'hydrogène ; ils ont besoin d'essence et d'autres carburants chimiquement complexes.



5. À l'intérieur de cet appareil, la lumière alimente une réaction dans laquelle l'eau et le dioxyde de carbone sont convertis en carburant. La tubulure permet au produit secondaire de la réaction — oxygène pur — pour échapper à.

6 et 7. Certaines bactéries du système produisent du méthane, qui peut être utilisé directement comme carburant ; d'autres fabriquent de l'acétate, qui est donné à d'autres bactéries génétiquement modifiées pour fabriquer des carburants et des plastiques. Ici, conçu E. coli se nourrir d'acétate.

8. Des outils analytiques, notamment des spectromètres de masse, sont utilisés pour vérifier que les bactéries ont fabriqué le produit chimique souhaité. Jusqu'à présent, le système est aussi efficace que la photosynthèse naturelle.



Pour catalyser cette partie du processus, Yang s'appuie sur une autre technologie qui n'existait pas dans les années 70. Lui et ses collègues ont montré que des bactéries génétiquement modifiées nichées au milieu des nanofils fonctionnent comme des catalyseurs vivants. Ils récupèrent l'hydrogène de l'eau et le combinent avec du dioxyde de carbone pour fabriquer du méthane et d'autres hydrocarbures nécessaires aux carburants ou aux plastiques. Les insectes le font avec des enzymes naturelles qui effectuent une série de réactions que les chimistes n'ont pas encore pu maîtriser avec des catalyseurs synthétiques.

Le système de Yang correspond actuellement à l'efficacité de la photosynthèse, stockant moins de 1% de l'énergie captée par la lumière du soleil sous forme de liaisons chimiques. Ce n'est pas mal pour une démonstration de preuve de concept, mais il sera essentiel de la rendre plus efficace et donc plus rentable.

Yang espère éventuellement passer à des catalyseurs synthétiques au lieu de bactéries, difficiles à maintenir en vie. Mais l'élimination complète des bogues n'est peut-être pas nécessaire, étant donné le besoin urgent de carburants propres. S'il doit s'agir d'une approche hybride, ça va, dit-il.

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