Transformer le carbone issu de la pollution en carburant et en produits chimiques à l’aide de diamant et de lumière solaire
La concentration de CO2 ne cesse d’augmenter dans l’atmosphère, ce qui suscite de nombreuses inquiétudes en termes d’impact environnemental. Selon les scientifiques, non seulement il est important d’arrêter d’injecter des mégatonnes de CO2 dans l’atmosphère, mais il faut aussi commencer à éliminer ce qui s’y trouve déjà. Utiliser des diamants synthétiques exposés à la lumière constitue une nouvelle approche possible pour contribuer à la lutte contre le changement climatique et offrir un approvisionnement plus durable en matières premières dans certains secteurs industriels. Plusieurs études récentes ont réussi à utiliser du diamant synthétique afin de récupérer une partie du CO2 atmosphérique et de le transformer en carburant et en produits chimiques exploitables. Une approche innovante adoptée par les chercheurs travaillant sur le projet DIACAT, financé par l’UE, permet d’améliorer le rendement photocatalytique de deux ordres de grandeur par rapport à celui des réacteurs existants employant des procédés similaires. C’est la première fois que des chercheurs font la démonstration de toute une gamme de compositions de diamant capables de réduire le CO2 sous forme de méthanol et de formiate en utilisant le spectre visible de la lumière. Ils ont produit différents types de matériaux à base de diamant, nanostructurés et dopés grâce à des groupes fonctionnels présents en grande quantité sur leur surface, avec une qualité reproductible. Divers complexes métalliques actifs et revêtements d’oxydes métalliques ont été évalués en termes d’activité photocatalytique. En combinant les meilleurs matériaux et structures, l’équipe a fait état de la plus forte activité photocatalytique observée à ce jour dans les matériaux à base de diamant.
Le diamant se comporte comme un arbre artificiel
À la manière des vrais arbres, qui utilisent le CO2, la lumière du soleil et l’eau pour produire des aliments, les matériaux à base de diamant synthétique développés agissent comme un arbre artificiel qui utilise les mêmes ingrédients pour produire du carburant et des produits chimiques. «Là où la nature utilise la photosynthèse pour produire du glucose à partir du CO2, nous produisons du méthanol et du formiate sur une surface à base de carbone en utilisant des solvants écologiques et la lumière du soleil», indique Anke Krueger, coordinatrice du projet. Le méthanol ainsi obtenu est un biocarburant de substitution qui peut être utilisé pour faire fonctionner les voitures. Le formiate, qui peut également être réduit davantage pour former d’autres composés, est un précurseur utile dont l’industrie chimique a besoin.
Les propriétés inégalées du diamant
Contrairement aux idées reçues, le diamant synthétique est un matériau aisément disponible. Il peut être fabriqué à partir du méthane grâce à un procédé de dépôt chimique en phase vapeur. Les films de diamant déposés sur des substrats sont largement disponibles et plutôt bon marché, ne posent aucun problème de sécurité et sont respectueux de l’environnement. De plus, le diamant possède une propriété unique qui n’a pas d’équivalent dans les autres matériaux semi-conducteurs. Il possède une affinité électronique dite négative – les électrons peuvent quitter la surface du diamant sans barrière énergétique supplémentaire lorsqu’ils sont excités vers la bande de conduction. «Normalement, ce n’est possible que lorsque les électrons sont excités par une lumière appartenant à la plage des courtes longueurs d’onde du spectre ultraviolet, mais dans le cadre de DIACAT, nous avons fait des expériences avec une plage plus étendue du spectre solaire. Nous avons remarqué que le diamant émet des électrons à très fort potentiel de réduction; à leur tour, les électrons peuvent réduire des molécules très inertes comme le CO2 et l’azote moléculaire», explique Anke Krueger. Cet ensemble unique de propriétés physico-chimiques a permis aux chercheurs de mettre au point une sorte de processus de photosynthèse artificielle où le CO2 est transformé en molécules organiques à l’aide de la lumière du soleil et de l’eau. La technologie révolutionnaire de DIACAT constitue une partie importante de l’ensemble des efforts déployés par l’UE pour combattre le changement climatique en éliminant le CO2 de l’atmosphère. Cette technologie sera exploitée plus efficacement dans les endroits où de fortes concentrations de CO2 sont émises. À l’avenir, les centrales électriques, les aciéries ou les cimenteries seront donc des lieux privilégiés pour la mise en œuvre de cette technologie.
Mots‑clés
DIACAT, diamant, CO2, produit chimique, carburant, méthanol, formiate, photosynthèse artificielle