Exploiter la photosynthèse semi-artificielle pour créer des produits chimiques et des carburants durables
La photosynthèse est une machine ancestrale servant à produire de l’énergie. Depuis des milliards d’années, les plantes utilisent la lumière du soleil, l’eau et de minuscules concentrations de dioxyde de carbone provenant de l’atmosphère pour créer du carburant sous forme de sucres. La photosynthèse artificielle utilise les mêmes principes, mais avec des matériaux fabriqués par l’homme. Les deux processus présentent des avantages et des limites: les systèmes naturels sont limités dans leur efficacité; les systèmes synthétiques dans ce qu’ils peuvent produire, nous sommes encore loin de créer des sucres. La photosynthèse semi-artificielle entend profiter du meilleur des deux mondes. Elle utilise des enzymes provenant d’organismes naturels tels que les bactéries et les intègre dans des systèmes synthétiques en tant que catalyseurs. Cette approche est porteuse de nouvelles stratégies permettant de développer des technologies extrêmement efficaces de conversion de l’énergie solaire en carburants chimiques durables. «Si nous voulons atteindre la neutralité carbone d’ici 2050, il ne suffit pas de produire beaucoup d’électricité renouvelable. À un moment donné, les usines pétrochimiques et les usines de plastique devront également se révéler durables», explique Erwin Reisner, professeur d’énergie et de durabilité à l’université de Cambridge et coordinateur du projet MatEnSAP. «Nous voulons contribuer à la transition d’une industrie chimique fonctionnant à l’énergie fossile vers une industrie chimique fonctionnant à l’énergie solaire ou au moins à une industrie chimique verte», explique-t-il. Le projet MatEnSAP a été financé par le Conseil européen de la recherche (CER) et a exploré de nouveaux catalyseurs biologiques à intégrer dans la photosynthèse artificielle, jetant ainsi les bases du domaine de la photosynthèse semi-artificielle.
Des bactéries comme catalyseurs
L’équipe de MatEnSAP a testé une série d’enzymes potentielles issues d’organismes biologiques et susceptibles de stimuler la photosynthèse artificielle. Certaines de ces enzymes pourraient se révéler capables de convertir le dioxyde de carbone en carburant propre sans pratiquement aucune perte d’énergie, un exploit actuellement impossible à réaliser avec des catalyseurs synthétiques. L’équipe a également travaillé à la caractérisation des organismes afin de trouver les plus adaptés. «Ils disposent tous de propriétés très différentes», fait remarquer Erwin Reisner. «Il nous a fallu quelques années pour en trouver un qui fonctionne vraiment bien dans nos systèmes.» L’équipe a ensuite créé une série de composants afin de démontrer la viabilité de la photosynthèse semi-artificielle, notamment des réacteurs électrochimiques, des absorbeurs de lumière et des polymères.
Des échafaudages poreux
La création d’«échafaudages poreux» à base d’oxydes métalliques afin d’abriter les enzymes a constitué une avancée majeure du projet. La taille des pores peut être modifiée pour les adapter parfaitement aux enzymes. Les structures peuvent être empilées les unes sur les autres et augmenter les réactions au sein du système. Les électrons générés par les panneaux solaires peuvent être directement injectés dans les enzymes, ce qui permet d’alimenter la synthèse de carburant à partir du dioxyde de carbone grâce à la lumière du soleil. «Tout cela est facilité par l’échafaudage, et nous l’avons confirmé à l’aide de plusieurs techniques différentes, que nous avons mises en œuvre dans le cadre du projet», explique Erwin Reisner.
Vers une industrie chimique durable
L’équipe a étudié la possibilité d’utiliser ces organismes pour d’autres réactions, notamment le recyclage des déchets. Elle œuvre à la création de produits chimiques durables à partir de déchets plastiques, tout en commençant à travailler au lancement d’une jeune start-up basée sur ce processus. Les travaux de MatEnSAP seront poursuivis dans le cadre de SolReGen, un autre projet financé par le CER. MatEnSAP a fait de la photosynthèse semi-artificielle un domaine de recherche émergent présentant un intérêt technologique. Cette ligne de recherche est en pleine croissance, avec de nombreux projets de recherche connexes en cours dans le monde entier, en particulier dans le domaine des combustibles solaires. «Il s’agit d’un domaine de recherche en plein essor», ajoute Erwin Reisner. «Du point de vue de l’impact académique, je pense qu’il a été très fructueux.»
Mots‑clés
MatEnSAP, photosynthèse, photosynthèse semi-artificielle, bactéries, enzymes, solaire, carburants, produits chimiques, vert
