Des carburants renouvelables issus de la lumière et du CO2

Imiter le processus naturel de la photosynthèse est une démarche prometteuse pour satisfaire les besoins mondiaux en énergie tout en minimisant le changement climatique. Cette photosynthèse artificielle pourrait permettre de capturer de l'énergie solaire pour l'utiliser ultérieurement.

Visant à construire des systèmes imitant les processus naturels, la photosynthèse artificielle implique des catalyseurs pour l'oxydation de l'eau et la réduction de H+/CO2 ainsi qu'un photosensibilisateur qui alimente le processus entier. Dans le cadre de PHOTOCO2 (Photocatalytic reduction of carbon dioxide into fuels), des chercheurs ont développé une photocathode efficace composée d'un photosensibilisateur, un support de semi-conducteur et un catalyseur de réduction H+/CO2. L'objectif était d'étudier la cinétique de transfert d'électrons interfaciaux des systèmes hybrides composés de catalyseurs moléculaires pour la réduction de CO2 ou de protons, immobilisés sur des semi-conducteurs nanostructurés.

La réduction photocatalytique de H2 en catalyseurs moléculaires peut être réalisée par des catalyseurs recevant des électrons d'un photosensibilisateur excité avec une énergie nécessaire. Pour démontrer la réduction de H2, les chercheurs ont sensibilisé des nanoparticules de semi-conducteur de dioxyde de titane (TiO2) et un catalyseur moléculaire avec un colorant de ruthénium. Ce système peut produire du H2 dans l'eau et en présence d'un donneur d'électrons avec un rendement quantique allant jusqu'à 10 %. Ils ont montré que le «quenching» réductif ou oxydatif du colorant permet le transfert d'électrons du photosensibilisateur au catalyseur moléculaire.

Suite aux études de réduction de protons, l'équipe a associé un catalyseur contenant des groupes de cyclam à des groupes d'acide carboxylique et l'ont attaché à un semi-conducteur pour démontrer la réduction du CO2. Dans ce cas, le transfert d'électrons a été accéléré.

En attachant le catalyseur Re(bpy)(CO)3L à la surface semi-conductrice de TiO2, les scientifiques ont rapporté une augmentation de 10 fois l'efficacité de la catalyse de la réduction de CO2. D'autres études ont compris des comparaisons entre la liaison des catalyseurs moléculaires aux nanoparticules de TiO2 et de nanoparticules métalliques.

Les chercheurs ont réalisé des études inédites, identifiant les facteurs gouvernant l'efficacité des systèmes hybrides de catalyseurs et de semi-conducteurs. Étant donné les résultats relatifs à la réduction de CO2 dans les substances chimiques de valeur comme le méthanol qui peuvent être transformées en carburant, les résultats du projet sont très positifs pour la génération artificielle de carburant solaire.