février 3, 2023

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Une nouvelle technologie pourrait accélérer la voie vers les carburants solaires sans carbone du futur

Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont démontré une nouvelle technique, similaire à un processus métabolique trouvé chez certaines bactéries, pour convertir le dioxyde de carbone (CO).2) en acétate liquide, un ingrédient clé dans la production de « lumière solaire liquide » ou combustible solaire par photosynthèse artificielle.

La nouvelle approche, rapportée dans stimuler la naturepeut aider à développer des alternatives neutres en carbone aux combustibles fossiles liés au réchauffement climatique et au changement climatique.

Ce travail est également la première démonstration d’un dispositif qui imite la façon dont ces bactéries synthétisent naturellement l’acétate à partir d’électrons et de dioxyde de carbone.2.

a déclaré l’auteur principal Beidong Yang, qui détient les titres de scientifique principal de la faculté du département de science des matériaux du laboratoire de Berkeley et de professeur de chimie et de science et génie des matériaux à l’UC Berkeley. « Tout ce que nous faisons dans mon laboratoire consiste à convertir le dioxyde de carbone2 Dans des produits bienfaisants inspirés de la nature. en termes d’atténuation du dioxyde de carbone2 les émissions et la lutte contre le changement climatique, cela fait partie de la solution. »

Depuis des décennies, les chercheurs savent qu’une voie métabolique chez certaines bactéries leur permet de digérer les électrons et le dioxyde de carbone2 pour produire de l’acétate, qui est une réaction pilotée par les électrons. Le chemin décompose le dioxyde de carbone2 molécules en deux groupes chimiques différents ou « asymétriques »: un groupe carbonyle (CO) ou un groupe méthyle (CH3). Les enzymes de cette voie de réaction activent le carbone dans le CO et le CH3 pour lier ou « coupler », ce qui conduit ensuite à une autre réaction catalytique aboutissant à l’acétate comme produit final.

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Les chercheurs dans le domaine de la photosynthèse artificielle voulaient développer des dispositifs qui imitent la chimie de la voie – appelée couplage asymétrique carbone-carbone – mais trouver des électrocatalyseurs artificiels qui fonctionnent aussi efficacement que les catalyseurs enzymatiques naturels des bactéries a été un défi.

« Mais nous avons pensé que si ces micro-organismes pouvaient faire cela, alors on devrait pouvoir imiter leur composition chimique en laboratoire », a déclaré Yang.

Développement de la photosynthèse artificielle à partir de cuivre avide de carbone

Le talent du cuivre pour convertir le carbone en de nombreux produits utiles a été découvert pour la première fois dans les années 1970. Sur la base de ces études antérieures, Yang et son équipe ont conclu que les dispositifs photosynthétiques artificiels équipés d’un catalyseur au cuivre devraient être capables de convertir le dioxyde de carbone.2 et l’eau en groupes méthyle et carbonyle, puis convertir ces produits en acétates. Ainsi, dans une expérience, Yang et son équipe ont conçu un prototype d’appareil avec une surface en cuivre ; Ensuite, ils ont exposé la surface du cuivre à de l’iodure de méthyle liquide (CH3I) et du gaz carbonique, et appliqué une polarisation électrique au système.

Les chercheurs ont émis l’hypothèse que le dioxyde de carbone collerait à la surface du cuivre, entraînant le couplage asymétrique du dioxyde de carbone et du méthane.3 Kits pour la production d’acétate. CH marqué isotope3Il a été utilisé dans des expériences pour suivre le cours de la réaction et les produits finaux. (Un isotope est un atome qui a plus ou moins de neutrons (particules non chargées) dans son noyau que les autres atomes de l’élément.)

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Et ils avaient raison. Des expériences analytiques chimiques menées dans le laboratoire de Yang à l’Université de Berkeley ont révélé que le couplage au cuivre des groupes carbonyle et méthyle donne non seulement de l’acétate, mais d’autres liquides précieux, notamment l’éthanol et l’acétone. Le traçage des isotopes a permis aux chercheurs de confirmer que l’acétate s’était formé par la combinaison de CO et de CH3.

Dans une autre expérience, les chercheurs ont fabriqué un matériau ultrafin à partir d’une solution de nanoparticules de cuivre et d’argent, mesurant chacune 7 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre. Les chercheurs ont ensuite conçu un autre prototype de dispositif, cette fois avec un matériau nanoparticulaire fin.

Comme prévu, la polarisation électrique a déclenché une réaction, conduisant les nanoparticules d’argent à convertir le CO2 en un groupe carbonyle, tandis que les nanoparticules de cuivre transformaient le dioxyde de carbone2 dans le groupe méthyle. Des analyses ultérieures dans le laboratoire de Yang ont révélé qu’une autre interaction (le couplage asymétrique souhaité) entre le CO et le CH3 Produits liquides composés tels que l’acétate.

Grâce à des expériences de microscopie électronique à la fonderie moléculaire, les chercheurs ont appris que les nanoparticules de cuivre et d’argent sont en contact étroit les unes avec les autres, formant des systèmes en tandem, et que les nanoparticules servaient de centre catalytique pour le couplage asymétrique.

Ces nanoparticules de cuivre et d’argent peuvent être couplées à des nanofils de silicium absorbant la lumière dans la conception future de systèmes de photosynthèse artificielle efficaces, a déclaré Yang.

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En 2015, Yang a co-dirigé une étude qui a démontré un système photosynthétique artificiel composé de nanofils semi-conducteurs et de bactéries qui utilisent l’énergie de la lumière du soleil pour produire de l’acétate à partir de dioxyde de carbone et d’eau. Cette découverte a des implications majeures pour un domaine en plein essor dans lequel les chercheurs ont passé des décennies à rechercher les meilleures réactions chimiques pour produire des rendements élevés de produits CO2 liquides.2.

La nouvelle étude fait progresser ces travaux antérieurs en démontrant un électrocatalyseur synthétique – des nanoparticules de cuivre et d’argent – qui « imite clairement ce que font les bactéries pour produire des produits liquides à partir de dioxyde de carbone ».2« , a déclaré Yang. Nous avons encore beaucoup de travail à faire pour l’améliorer, mais nous sommes ravis de son potentiel pour améliorer la photosynthèse artificielle. « 

Des chercheurs du Berkeley Lab et de l’UC Berkeley ont participé à l’étude.

Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du ministère de l’Énergie.

La fonderie moléculaire est une installation utilisateur du bureau des sciences du département de l’énergie du laboratoire de Berkeley.