Photosynthèse artificielle - Artificial photosynthesis

La photosynthèse artificielle est un processus chimique qui imite le processus naturel de la photosynthèse pour convertir la lumière du soleil , l' eau et le dioxyde de carbone en glucides et en oxygène . Le terme photosynthèse artificielle est couramment utilisé pour désigner tout schéma de capture et de stockage de l'énergie de la lumière solaire dans les liaisons chimiques d'un combustible (un combustible solaire ). La division photocatalytique de l'eau convertit l'eau en hydrogène et en oxygène et est un sujet de recherche majeur de la photosynthèse artificielle. La réduction du dioxyde de carbone par la lumière est un autre processus étudié qui reproduit la fixation naturelle du carbone .

La recherche sur ce sujet comprend la conception et l'assemblage de dispositifs pour la production directe de combustibles solaires, la photoélectrochimie et son application dans les piles à combustible, ainsi que l'ingénierie d' enzymes et de micro-organismes photoautotrophes pour la production de biocarburants microbiens et de biohydrogène à partir de la lumière du soleil.

Aperçu

La réaction photosynthétique peut être divisée en deux demi-réactions d' oxydation et de réduction , qui sont toutes deux essentielles à la production de carburant . Dans la photosynthèse des plantes, les molécules d'eau sont photo-oxydées pour libérer de l'oxygène et des protons. La deuxième phase de la photosynthèse des plantes (également connue sous le nom de cycle de Calvin-Benson ) est une réaction indépendante de la lumière qui convertit le dioxyde de carbone en glucose (carburant). Les chercheurs en photosynthèse artificielle développent des photocatalyseurs capables d'effectuer ces deux réactions. De plus, les protons résultant de la séparation de l'eau peuvent être utilisés pour la production d'hydrogène. Ces catalyseurs doivent pouvoir réagir rapidement et absorber un grand pourcentage des photons solaires incidents .

Photosynthèse naturelle (gauche) versus photosynthèse artificielle (droite)

Alors que le photovoltaïque peut fournir de l'énergie directement à partir de la lumière du soleil, l'inefficacité de la production de combustible à partir de l'électricité photovoltaïque (procédé indirect) et le fait que l'ensoleillement ne soit pas constant tout au long de la journée limite son utilisation. Une façon d'utiliser la photosynthèse naturelle consiste à produire un biocarburant , qui est un processus indirect qui souffre d'une faible efficacité de conversion d'énergie (en raison de la faible efficacité de la photosynthèse dans la conversion de la lumière du soleil en biomasse), du coût de la récolte et du transport du carburant, et les conflits dus au besoin croissant de masse terrestre pour la production alimentaire. Le but de la photosynthèse artificielle est de produire un carburant à partir de la lumière du soleil qui peut être stocké de manière pratique et utilisé lorsque la lumière du soleil n'est pas disponible, en utilisant des processus directs, c'est-à-dire pour produire un carburant solaire . Avec le développement de catalyseurs capables de reproduire les principales parties de la photosynthèse, l'eau et la lumière du soleil seraient finalement les seules sources nécessaires à la production d'énergie propre. Le seul sous-produit serait l'oxygène, et la production d'un combustible solaire pourrait être moins chère que l'essence.

Un processus pour la création d'un approvisionnement en énergie propre et abordable est le développement de la séparation photocatalytique de l'eau sous la lumière solaire. Ce mode de production durable d'hydrogène est un objectif majeur pour le développement de systèmes énergétiques alternatifs . Il est également prévu que ce soit l'un des moyens les plus, sinon les plus efficaces, d'obtenir de l'hydrogène à partir de l'eau. La conversion de l'énergie solaire en hydrogène via un processus de séparation de l'eau assisté par des catalyseurs photo-semiconducteurs est l'une des technologies les plus prometteuses en développement. Ce processus a le potentiel de générer de grandes quantités d'hydrogène d'une manière écologiquement rationnelle. La conversion de l'énergie solaire en un combustible propre (H 2 ) dans des conditions ambiantes est l'un des plus grands défis auxquels sont confrontés les scientifiques au XXIe siècle.

Deux méthodes sont généralement reconnues pour la construction de piles à combustible solaires pour la production d'hydrogène :

  • Un système homogène est un système tel que les catalyseurs ne sont pas compartimentés , c'est-à-dire que les composants sont présents dans le même compartiment. Cela signifie que l'hydrogène et l'oxygène sont produits au même endroit. Cela peut être un inconvénient, car ils composent un mélange explosif, exigeant une séparation des produits gazeux. De plus, tous les composants doivent être actifs dans approximativement les mêmes conditions (p. ex., pH ).
  • Un système hétérogène comporte deux électrodes distinctes , une anode et une cathode, permettant la séparation de la production d'oxygène et d'hydrogène. De plus, différents composants n'ont pas nécessairement besoin de travailler dans les mêmes conditions. Cependant, la complexité accrue de ces systèmes les rend plus difficiles à développer et plus coûteux.

Un autre domaine de recherche au sein de la photosynthèse artificielle est la sélection et la manipulation de micro-organismes photosynthétiques, à savoir les microalgues vertes et les cyanobactéries , pour la production de combustibles solaires. De nombreuses souches sont capables de produire de l'hydrogène naturellement, et les scientifiques s'efforcent de les améliorer. Les biocarburants à base d'algues tels que le butanol et le méthanol sont produits à la fois en laboratoire et à l'échelle commerciale. Cette méthode a bénéficié du développement de la biologie synthétique , qui est également explorée par l' Institut J. Craig Venter pour produire un organisme synthétique capable de produire des biocarburants. En 2017, un procédé efficace a été développé pour produire de l'acide acétique à partir de dioxyde de carbone à l'aide de « bactéries cyborg ».

Histoire

La photosynthèse artificielle a été anticipée pour la première fois par le chimiste italien Giacomo Ciamician en 1912. Dans une conférence publiée plus tard dans Science, il a proposé de passer de l'utilisation de combustibles fossiles à l'énergie rayonnante fournie par le soleil et capturée par des appareils photochimiques techniques. Dans ce changement, il a vu une possibilité de réduire la différence entre le nord riche de l'Europe et le sud pauvre et a deviné que ce passage du charbon à l'énergie solaire "ne serait pas nuisible au progrès et au bonheur humain".

À la fin des années 1960, Akira Fujishima a découvert les propriétés photocatalytiques du dioxyde de titane , l'effet Honda-Fujishima, qui pourrait être utilisé pour l' hydrolyse .

La division de l'eau par la lumière visible avec un dispositif semi-conducteur monobloc à jonctions multiples (par rapport à la lumière UV avec des semi-conducteurs en dioxyde de titane) a été démontrée et brevetée pour la première fois par William Ayers chez Energy Conversion Devices en 1983. Ce groupe a démontré la photolyse de l'eau en hydrogène et oxygène, maintenant appelée une "feuille artificielle" avec une feuille multijonction de silicium amorphe à faible coût et à film mince immergée directement dans l'eau. De l'hydrogène s'est dégagé sur la surface de silicium amorphe avant décorée de divers catalyseurs tandis que de l'oxygène s'est dégagé du substrat métallique de la face arrière, ce qui a également éliminé le risque de dégagement de gaz mixte hydrogène/oxygène. Une membrane polymère au-dessus du dispositif immergé a fourni un chemin pour le transport des protons. La tension photovoltaïque plus élevée disponible à partir du dispositif à couche mince multijonction avec lumière visible était une avancée majeure par rapport aux tentatives de photolyse précédentes avec des photoélectrodes UV ou d'autres photoélectrodes semi-conductrices à jonction unique. Le brevet du groupe répertorie également plusieurs autres compositions semi-conductrices à multijonctions en plus du silicium amorphe.

Le Consortium suédois pour la photosynthèse artificielle, le premier du genre, a été créé en 1994 en tant que collaboration entre des groupes de trois universités différentes, Lund , Uppsala et Stockholm , actuellement actives autour de Lund et des laboratoires Ångström à Uppsala. Le consortium a été construit avec une approche multidisciplinaire pour se concentrer sur l'apprentissage de la photosynthèse naturelle et l'application de ces connaissances dans les systèmes biomimétiques.

La recherche sur la photosynthèse artificielle connaît un essor en ce début de XXIe siècle. En 2000, les chercheurs de l'Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) ont fait connaître leur intention de mettre l'accent sur la capture du dioxyde de carbone et sa conversion en hydrocarbures. En 2003, le Brookhaven National Laboratory a annoncé la découverte d'une partie intermédiaire importante de la réduction du CO 2 en CO (la réaction de réduction du dioxyde de carbone la plus simple possible), qui pourrait aboutir à de meilleurs catalyseurs.

L'un des inconvénients des systèmes artificiels pour les catalyseurs de fractionnement de l'eau est leur dépendance générale à des éléments rares et coûteux, tels que le ruthénium ou le rhénium. En 2008, avec le financement du United States Air Force Office of Scientific Research , le chimiste du MIT et directeur du Solar Revolution Project Daniel G. Nocera et le boursier postdoctoral Matthew Kanan ont tenté de contourner ce problème en utilisant un catalyseur contenant le moins cher et le plus abondant. éléments cobalt et phosphate. Le catalyseur était capable de diviser l'eau en oxygène et en protons en utilisant la lumière du soleil, et pourrait potentiellement être couplé à un catalyseur produisant de l'hydrogène gazeux tel que le platine. De plus, alors que le catalyseur se détériorait pendant la catalyse, il pouvait s'auto-réparer. Cette conception expérimentale de catalyseur a été considérée comme une amélioration majeure par de nombreux chercheurs.

Alors que le CO est le principal produit de réduction du CO 2 , des composés carbonés plus complexes sont généralement souhaités. En 2008, Andrew B. Bocarsly a signalé la conversion directe du dioxyde de carbone et de l'eau en méthanol en utilisant l'énergie solaire dans une cellule photochimique très efficace.

Bien que Nocera et ses collègues aient réussi à séparer l'eau en oxygène et en protons, un processus à commande lumineuse pour produire de l'hydrogène est souhaitable. En 2009, l'Institut Leibniz pour la catalyse a signalé des complexes fer-carbonyle peu coûteux capables de faire exactement cela. Au cours de la même année, des chercheurs de l' Université d'East Anglia ont également utilisé des composés carbonylés de fer pour obtenir une production photoélectrochimique d'hydrogène avec une efficacité de 60%, cette fois en utilisant une électrode en or recouverte de couches de phosphure d'indium auxquelles les complexes de fer étaient liés. Ces deux processus ont utilisé une approche moléculaire, où des nanoparticules discrètes sont responsables de la catalyse.

Au cours de l'année 2009, F. del Valle et K. Domen ont montré l'effet du traitement thermique en atmosphère fermée à l'aide de Cd
1- x
Zn
X
S
photocatalyseurs. CD
1- x
Zn
X
La
solution solide S signale une activité élevée dans la production d'hydrogène à partir de la division de l'eau sous irradiation solaire. Une approche hétérogène / moléculaire mixte par des chercheurs de l' Université de Californie, Santa Cruz , en 2010, en utilisant les deux azotés dopés et séléniure de cadmium points quantiques dioxyde de titane -sensitized nanoparticules et nanofils , a également donné l' hydrogène photoproduced.

La photosynthèse artificielle est restée un domaine académique pendant de nombreuses années. Cependant, au début de 2009, Mitsubishi Chemical Holdings aurait développé sa propre recherche sur la photosynthèse artificielle en utilisant la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone pour "créer les éléments constitutifs du carbone à partir desquels les résines, les plastiques et les fibres peuvent être synthétisés". Cela a été confirmé avec la création de l'Institut KAITEKI plus tard cette année-là, avec la réduction du dioxyde de carbone par la photosynthèse artificielle comme l'un des principaux objectifs.

En 2010, le Département de l'énergie des États-Unis a créé, comme l'un de ses centres d' innovation énergétique , le Joint Center for Artificial Photosynthèse . La mission du JCAP est de trouver une méthode rentable pour produire des carburants en utilisant uniquement la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone comme intrants. JCAP est géré par une équipe du California Institute of Technology (Caltech), dirigée par le professeur Nathan Lewis et rassemble plus de 120 scientifiques et ingénieurs du Caltech et de son partenaire principal, le Lawrence Berkeley National Laboratory . JCAP s'appuie également sur l'expertise et les capacités de partenaires clés de l'Université de Stanford , de l' Université de Californie à Berkeley , de l' UCSB , de l' Université de Californie, d'Irvine et de l' Université de Californie à San Diego , et du Stanford Linear Accelerator . De plus, JCAP sert de plaque tournante pour d'autres équipes de recherche sur les combustibles solaires à travers les États-Unis, y compris le 20 DOE Energy Frontier Research Center. Le programme dispose d'un budget de 122 millions de dollars sur cinq ans, sous réserve d'une appropriation par le Congrès

Toujours en 2010, une équipe dirigée par le professeur David Wendell de l' Université de Cincinnati a réussi à démontrer la photosynthèse dans une construction artificielle constituée d'enzymes suspendues dans un boîtier en mousse.

En 2011, Daniel Nocera et son équipe de recherche ont annoncé la création de la première feuille artificielle pratique. Dans un discours prononcé lors de la 241e réunion nationale de l' American Chemical Society , Nocera a décrit une cellule solaire avancée de la taille d'une carte de poker capable de diviser l'eau en oxygène et en hydrogène, environ dix fois plus efficace que la photosynthèse naturelle. La cellule est principalement constituée de matériaux peu coûteux et largement disponibles, fonctionne dans des conditions simples et présente une stabilité accrue par rapport aux catalyseurs précédents : lors d'études en laboratoire, les auteurs ont démontré qu'un prototype de feuille artificielle pouvait fonctionner en continu pendant au moins quarante-cinq heures sans baisse d'activité. En mai 2012, Sun Catalytix, la startup basée sur les recherches de Nocera, a déclaré qu'elle ne développerait pas le prototype car l'appareil offre peu d'économies par rapport aux autres moyens de produire de l'hydrogène à partir de la lumière du soleil. (Sun Catalytix a fini par s'éloigner du combustible solaire pour développer des batteries pour stocker de l'énergie pour le réseau électrique à la place, et Lockheed a acheté la société pour un montant non divulgué en 2014) Des experts de premier plan dans le domaine ont soutenu une proposition de projet mondial sur l'artificiel La photosynthèse comme solution combinée de sécurité énergétique et de changement climatique. Des conférences sur ce thème ont eu lieu à Lord Howe Island en 2011, à Chicheley Hall au Royaume-Uni en 2014 et à Canberra et Lord Howe Island en 2016.

Les recherches en cours

En termes énergétiques, la photosynthèse naturelle peut être divisée en trois étapes :

Un assemblage en triade, avec un photosensibilisateur (P) lié en tandem à un catalyseur d'oxydation de l'eau (D) et un catalyseur à dégagement d'hydrogène (A). Les électrons circulent de D vers A lorsque la catalyse se produit.

En utilisant des approches biomimétiques , la photosynthèse artificielle tente de construire des systèmes réalisant le même type de processus. Idéalement, un assemblage de triades pourrait oxyder l'eau avec un catalyseur, réduire les protons avec un autre et avoir une molécule photosensibilisante pour alimenter l'ensemble du système. L'une des conceptions les plus simples est celle où le photosensibilisateur est lié en tandem entre un catalyseur d'oxydation de l'eau et un catalyseur à dégagement d'hydrogène :

  • Le photosensibilisateur transfère des électrons au catalyseur d'hydrogène lorsqu'il est touché par la lumière, devenant oxydé dans le processus.
  • Cela pousse le catalyseur de séparation de l'eau à donner des électrons au photosensibilisateur. Dans un assemblage en triade, un tel catalyseur est souvent appelé donneur. Le donneur oxydé est capable d'effectuer l'oxydation de l'eau.

L'état de la triade avec un catalyseur oxydé à une extrémité et le second réduit à l'autre extrémité de la triade est appelé séparation de charge et constitue une force motrice pour un transfert d'électrons supplémentaire et, par conséquent, une catalyse. Les différents composants peuvent être assemblés de diverses manières, telles que des complexes supramoléculaires , des cellules compartimentées ou des molécules liées de manière linéaire et covalente .

La recherche pour trouver des catalyseurs capables de convertir l'eau, le dioxyde de carbone et la lumière du soleil en glucides ou en hydrogène est un domaine actuel et actif. En étudiant le complexe naturel d'évolution de l' oxygène (OEC), les chercheurs ont développé des catalyseurs tels que le « dimère bleu » pour imiter sa fonction. Des cellules photoélectrochimiques qui réduisent le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone (CO), en acide formique (HCOOH) et en méthanol (CH 3 OH) sont en cours de développement. Cependant, ces catalyseurs sont encore très inefficaces.

Catalyseurs d'hydrogène

L'hydrogène est le combustible solaire le plus simple à synthétiser, puisqu'il n'implique que le transfert de deux électrons à deux protons. Elle doit cependant se faire par étapes, avec formation d'un anion hydrure intermédiaire :

2 e + 2 H + H + + H ⇌ H 2

Les catalyseurs de conversion de proton en hydrogène présents dans la nature sont des hydrogénases . Ce sont des enzymes qui peuvent soit réduire les protons en hydrogène moléculaire, soit oxyder l'hydrogène en protons et électrons. Des études spectroscopiques et cristallographiques couvrant plusieurs décennies ont permis de bien comprendre à la fois la structure et le mécanisme de la catalyse de l'hydrogénase. En utilisant ces informations, plusieurs molécules imitant la structure du site actif des hydrogénases nickel-fer et fer-fer ont été synthétisées. D'autres catalyseurs ne sont pas des imitateurs structurels de l'hydrogénase mais plutôt fonctionnels. Les catalyseurs synthétisés comprennent des modèles structurels d'amas H, un photocatalyseur au dirhodium et des catalyseurs au cobalt .

Catalyseurs oxydant l'eau

L'oxydation de l'eau est une réaction chimique plus complexe que la réduction des protons. Dans la nature, le complexe dégageant de l' oxygène effectue cette réaction en accumulant des équivalents réducteurs (électrons) dans un amas de manganèse-calcium au sein du photosystème II (PS II), puis en les livrant aux molécules d'eau, avec pour résultat la production d'oxygène moléculaire et de protons :

2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4e

Sans catalyseur (naturel ou artificiel), cette réaction est très endothermique, nécessitant des températures élevées (au moins 2500 K).

La structure exacte du complexe dégageant de l'oxygène a été difficile à déterminer expérimentalement. En 2011, le modèle le plus détaillé provenait d'une structure cristalline de résolution 1,9 Å du photosystème II. Le complexe est un amas contenant quatre ions manganèse et un ions calcium , mais l'emplacement exact et le mécanisme de l'oxydation de l'eau dans l'amas sont inconnus. Néanmoins, des complexes bio-inspirés de manganèse et de manganèse-calcium ont été synthétisés, comme des amas de type [Mn 4 O 4 ] cubane , certains avec une activité catalytique.

Certains complexes de ruthénium , tels que le « dimère bleu » dinucléaire à pont µ-oxo (le premier du genre à être synthétisé), sont capables d'oxyder l'eau par la lumière, grâce à leur capacité à former des états de valence élevée . Dans ce cas, le complexe de ruthénium agit à la fois comme photosensibilisateur et catalyseur. Ces complexes et d'autres catalyseurs moléculaires attirent toujours les chercheurs dans le domaine, présentant différents avantages tels qu'une structure claire, un site actif et un mécanisme facile à étudier. L'un des principaux défis à surmonter est leur stabilité à court terme et leur hétérogénéisation efficace pour des applications dans des dispositifs de photosynthèse artificielle.

De nombreux oxydes métalliques se sont révélés avoir une activité catalytique d'oxydation de l' eau, y compris le ruthénium (IV) oxyde (RuO 2 ), l' iridium (IV) oxyde (IrO 2 ), les oxydes de cobalt (y compris le nickel - dopé Co 3 O 4 ), oxyde de manganèse ( comprenant du MnO 2 en couches (birnessite), du Mn 2 O 3 ), et un mélange de Mn 2 O 3 avec CaMn 2 O 4 . Les oxydes sont plus faciles à obtenir que les catalyseurs moléculaires, en particulier ceux provenant de métaux de transition relativement abondants (cobalt et manganèse), mais souffrent d'une faible fréquence de renouvellement et de propriétés de transfert d'électrons lents , et leur mécanisme d'action est difficile à déchiffrer et, par conséquent, à ajuster.

Récemment, les matériaux à base de structure métal-organique (MOF) se sont révélés être un candidat très prometteur pour l'oxydation de l'eau avec des métaux de transition de première rangée. La stabilité et l'accordabilité de ce système devraient être très bénéfiques pour le développement futur.

Photosensibilisateurs

Structure de [Ru(bipy) 3 ] 2+ , un photosensibilisateur largement utilisé.

La nature utilise des pigments , principalement des chlorophylles , pour absorber une large partie du spectre visible. Les systèmes artificiels peuvent utiliser soit un type de pigment avec une large plage d'absorption, soit combiner plusieurs pigments dans le même but.

Ruthénium complexes polypyridiniques , en particulier le tris (bipyridine) ruthénium (II) et ses dérivés ont été largement utilisés dans la photoproduction d'hydrogène en raison de leur absorption de la lumière visible efficace et de longue durée en conséquence la charge de ligand-métal transfert état excité , ce qui rend le complexes d'agents réducteurs forts. D'autres complexes contenant des métaux nobles utilisés comprennent ceux avec le platine , le rhodium et l' iridium .

Des complexes organiques sans métal ont également été utilisés avec succès comme photosensibilisateurs. Les exemples incluent l' éosine Y et le rose bengale . Les anneaux pyrrole tels que les porphyrines ont également été utilisés dans le revêtement de nanomatériaux ou de semi - conducteurs pour la catalyse à la fois homogène et hétérogène.

Dans le cadre des efforts de recherche actuels, des systèmes d'antennes photoniques artificielles sont à l'étude pour déterminer des moyens efficaces et durables de collecter la lumière pour la photosynthèse artificielle. Gion Calzaferri (2009) décrit une de ces antennes qui utilise la zéolite L comme hôte pour les colorants organiques, pour imiter les systèmes de collecte de lumière des plantes. L'antenne est fabriquée en insérant des molécules de colorant dans les canaux de la zéolite L. Le processus d'insertion, qui se déroule sous vide et à haute température, est rendu possible par le mouvement vibrationnel coopératif de la charpente de la zéolite et des molécules de colorant. Le matériau résultant peut être interfacé à un dispositif externe via un robinet intermédiaire.

Catalyseurs de réduction du dioxyde de carbone

Dans la nature, la fixation du carbone est effectuée par les plantes vertes en utilisant l'enzyme RuBisCO dans le cadre du cycle de Calvin . RuBisCO est un catalyseur plutôt lent par rapport à la grande majorité des autres enzymes, n'incorporant que quelques molécules de dioxyde de carbone dans le ribulose-1,5-bisphosphate par minute, mais le fait à pression atmosphérique et dans des conditions biologiques douces. Le produit résultant est encore réduit et éventuellement utilisé dans la synthèse du glucose , qui à son tour est un précurseur de glucides plus complexes , tels que la cellulose et l' amidon . Le processus consomme de l'énergie sous forme d' ATP et de NADPH .

La réduction artificielle du CO 2 pour la production de carburant vise principalement à produire des composés carbonés réduits à partir du CO 2 atmosphérique . Certains complexes polyphosphines de métaux de transition ont été développés à cette fin ; cependant, ils nécessitent généralement une concentration préalable de CO 2 avant utilisation, et des vecteurs (molécules qui fixeraient le CO 2 ) qui sont à la fois stables dans des conditions aérobies et capables de concentrer le CO 2 à des concentrations atmosphériques n'ont pas encore été développés. Le produit le plus simple de la réduction du CO 2 est le monoxyde de carbone (CO), mais pour le développement du carburant, une réduction supplémentaire est nécessaire, et une étape clé nécessitant également un développement supplémentaire est le transfert des anions hydrure en CO.

Production photobiologique de carburants

Certains microorganismes photoautotrophes peuvent, dans certaines conditions, produire de l'hydrogène. Les micro - organismes fixateurs d'azote , tels que les cyanobactéries filamenteuses , possèdent l'enzyme nitrogénase , responsable de la conversion du N 2 atmosphérique en ammoniac ; l'hydrogène moléculaire est un sous-produit de cette réaction et n'est souvent pas libéré par le micro-organisme, mais plutôt absorbé par une hydrogénase oxydant l'hydrogène (absorption). Une façon de forcer ces organismes à produire de l'hydrogène est alors d'annihiler l'activité d'hydrogénase d'absorption. Cela a été fait sur une souche de Nostoc punctiforme : l'un des gènes de structure de l'hydrogénase d'absorption de NiFe a été inactivé par mutagénèse insertionnelle , et la souche mutante a montré un dégagement d'hydrogène sous illumination.

Beaucoup de ces photoautotrophes ont également des hydrogénases bidirectionnelles, qui peuvent produire de l'hydrogène dans certaines conditions. Cependant, d'autres voies métaboliques énergivores peuvent rivaliser avec les électrons nécessaires à la réduction des protons, diminuant l'efficacité du processus global ; aussi, ces hydrogénases sont très sensibles à l'oxygène.

Plusieurs biocarburants à base de carbone ont également été produits à l'aide de cyanobactéries, comme le 1-butanol.

Les techniques de biologie synthétique devraient être utiles pour ce sujet. L'ingénierie microbiologique et enzymatique a le potentiel d'améliorer l'efficacité et la robustesse des enzymes, ainsi que de construire de nouvelles voies métaboliques productrices de biocarburants chez les photoautotrophes qui en manquaient auparavant, ou d'améliorer celles existantes. Un autre sujet en cours de développement est l'optimisation des photobioréacteurs pour une application commerciale.

Techniques de recherche employées

La recherche en photosynthèse artificielle est nécessairement un sujet multidisciplinaire, nécessitant une multitude d'expertises différentes. Certaines techniques utilisées dans la fabrication et l'étude des catalyseurs et des cellules solaires comprennent :

Avantages, inconvénients et efficacité

Les avantages de la production de combustible solaire par photosynthèse artificielle comprennent :

  • L'énergie solaire peut être immédiatement convertie et stockée. Dans les cellules photovoltaïques , la lumière du soleil est convertie en électricité puis reconvertie en énergie chimique pour le stockage, avec une certaine perte d'énergie nécessaire associée à la seconde conversion.
  • Les sous-produits de ces réactions sont respectueux de l'environnement. Le carburant photosynthétisé artificiellement serait une source d'énergie neutre en carbone , qui pourrait être utilisée pour le transport ou les maisons.

Les inconvénients comprennent :

  • Les matériaux utilisés pour la photosynthèse artificielle se corrodent souvent dans l'eau, ils peuvent donc être moins stables que le photovoltaïque sur de longues périodes de temps. La plupart des catalyseurs à l'hydrogène sont très sensibles à l'oxygène, étant inactivés ou dégradés en sa présence ; De plus, des dommages photographiques peuvent survenir au fil du temps.
  • Le coût n'est pas (encore) assez avantageux pour concurrencer les combustibles fossiles en tant que source d'énergie commercialement viable.

Une préoccupation généralement abordée dans la conception d'un catalyseur est l'efficacité, en particulier la quantité de lumière incidente pouvant être utilisée dans un système en pratique. Ceci est comparable à l'efficacité photosynthétique , où la conversion de la lumière en énergie chimique est mesurée. Les organismes photosynthétiques sont capables de collecter environ 50% du rayonnement solaire incident, cependant la limite théorique de l'efficacité photosynthétique est de 4,6 et 6,0% pour les plantes C3 et C4 respectivement. En réalité, l'efficacité de la photosynthèse est beaucoup plus faible et est généralement inférieure à 1%, à quelques exceptions près comme la canne à sucre en climat tropical. En revanche, l'efficacité la plus élevée signalée pour les prototypes de laboratoire de photosynthèse artificielle est de 22,4 %. Cependant, les plantes utilisent efficacement le CO 2 à des concentrations atmosphériques, ce que les catalyseurs artificiels ne peuvent toujours pas effectuer.

Voir également

Les références

Liens externes