Mise au point d’une feuille bionique aux Etats-Unis

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L’activité humaine relâche dans l’atmosphère des tonnes de gaz carbonique, principal gaz à effet de serre, depuis les débuts de l’ère industrielle, en brûlant des combustibles fossiles et des produits pétroliers. Nous avons ainsi atteint des seuils de CO2 dans l’atmosphère bien supérieurs à ce que la terre a jamais connu. Les conséquences quant à elles, sont en revanche bien connues : acidification des océans et changement climatique. De nombreux scientifiques cherchent des façons de capturer mais aussi de transformer le CO2 atmosphérique en source d’énergie. Or nous avons à notre disposition de nombreux modèles pour nous inspirer, car c’est exactement ce que font les plantes depuis 500 millions d’années grâce à la photosynthèse.

La photosynthèse, apparue il y a environ 3,8 milliards d’années chez les cyanobactéries [1], est à l’origine de l’évolution de la vie sur terre, car d’une part elle produit l’oxygène que nous respirons sans lequel il ne pourrait y avoir d’animaux, et d’autre part, elle permet la production abondante de matière organique, qui est elle-même consommée par les animaux et se trouve donc à la base de la chaîne alimentaire. Ces deux activités principales de la photosynthèse que sont la production d’oxygène et la synthèse de matière organique sont dues à un élément majeur : le photosystème, qui puise son énergie dans le soleil [2]. Grâce aux photons, le photosystème est capable de réaliser la coupure de la molécule d’eau pour produire de l’oxygène, de l’énergie (ATP) et des électrons de bas potentiel (H2 ou NADPH,H+), qui serviront au niveau du deuxième élément de la photosynthèse qui est la fixation du CO2, dans le but de réaliser les synthèses des molécules organiques cellulaires.

Réaction de coupure de la molécule d’eau
2 H2O → O2 + 2H2

Si l’on imagine maintenant un système artificiel permettant de convertir l’énergie solaire en carburant liquide, que l’on pourrait appeler feuille bionique, il faudrait donc que ce système réalise les deux opérations de la photosynthèse que sont la coupure de la molécule d’eau et la synthèse de molécules organiques à partir du CO2. Les chimistes savent depuis longtemps réaliser ces deux opérations mais dans des procédés très coûteux en énergie, à cause des propriétés chimiques intrinsèques de ces deux éléments, car aussi bien l’eau que le gaz carbonique sont des molécules très stables et donc peu réactives. Il faut par exemple appliquer des courants très élevés pour réaliser l’électrolyse de l’eau, ou atteindre des températures et des pressions très élevées pour convertir le CO2 en CO par la réaction du gaz à l’eau (water gas shift en anglais) [3], puis en hydrocarbure par le procédé Fischer-Tropsch [4]. Ces procédés nécessitent de plus l’utilisation de catalyseurs à base de métaux précieux. Comment la nature réussit-elle alors à réaliser cette chimie dans les conditions douces de la biologie ? C’est là que réside tout le secret de la photosynthèse, qui dispose d’une source d’énergie abondante et gratuite, celle du soleil. Pour être parfaitement efficace dans une optique de développement durable, une feuille artificielle devra donc réaliser à partir de l’énergie solaire les deux opérations clés de la photosynthèse, dans des conditions proches des conditions naturelles, et faisant intervenir des catalyseurs à base de métaux non précieux.

Dans un article récent paru dans la revue Science, Daniel Nocera, professeur des sciences de l’énergie à l’Université de Harvard, pionnier dans l’utilisation de la photosynthèse artificielle, décrit la mise au point avec sa collègue Pamela Silver, d’un système qui permet la fabrication de combustibles liquides à partir de la lumière du soleil, du dioxyde de carbone et de l’eau [5].

La clé de cette innovation, comparée aux technologies existantes, réside dans l’utilisation d’un nouveau catalyseur haute performance à base de cobalt (cobalt-phosphore à la cathode et phosphate de cobalt à l’anode), nécessitant des courants plus faibles pour réaliser l’électrolyse de l’eau. Les conditions d’opération de ce nouveau catalyseur permettent le couplage avec une cellule photovoltaïque pour apporter le courant nécessaire à l’électrolyse. Ce nouveau système permet donc de réaliser la coupure de la molécule d’eau grâce à l’énergie solaire, réalisant ainsi la première étape de la feuille artificielle.

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Schéma réactionnel de la réaction de coupure de la molécule d’eau (en noir) et image au microscope électronique des catalyseurs. L’eau est oxydée à l’anode avec dégagement d’oxygène. Les protons sont réduits en hydrogène à la cathode. La réaction en 1 (en rouge) indique qu’il n’y a pas de dégagement toxique d’espèces réactives de l’oxygène. La réaction 2 indique qu’au cours de l’électrolyse, l’ion cobalt libéré par la cathode ne s’accumule pas dans le milieu réactionnel mais se dépose sur l’anode. La barre d’échelle représente 10 microns.
Chong Liu, et al. Science 352, 1210-1213 (2016).

Intéressons-nous maintenant à la deuxième partie de la feuille artificielle, qui concerne la réduction du gaz carbonique. Cette réaction est réalisée par une bactérie autotrophe (qui fixe le CO2), bien connue des microbiologistes : Ralstonia eutropha (récement renommée Cupriavidus necator) [6]. Cette bactérie présente dans le sol et l’eau est étudiée depuis bientôt trente ans car elle présente la propriété rare de pouvoir utiliser l’hydrogène comme source d’énergie en présence d’oxygène. Avec de l’hydrogène comme source d’énergie et du gaz carbonique comme source de carbone, cette bactérie est capable de synthétiser sa propre matière organique et donc de se multiplier.

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Image au microscope électronique de R. eutropha
http://ultraculture.org/blog/2012/09/11/can-we-create-renewable-fuel-with-bacteria/

R. eutropha était donc toute indiquée pour intégrer ce procédé, car dans les conditions opératoires, l’H2 est apporté par l’électrolyse de l’eau, le CO2 est apporté par l’air, et l’O2 par les deux. Bien que cette bactérie soit capable de se développer dans ces conditions, encore faut-il qu’elle produise des molécules d’intérêt. Un mutant a donc été sélectionné qui sécrète dans le milieu de culture de l’isopropanol et de l’isobutanol, deux alcools qui présentent des densités énergétiques proches de celle de l’essence.

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Des cellules photovoltaïques alimentent en électricité les catalyseurs qui réalisent la coupure de la molécule d’eau en oxygène et hydrogène. L’H2 est ensuite consommé par R. eutropha qui produit de l’isopropanol
http://blog.sciencenet.cn/blog-286952-921548.html

Nous avons maintenant une feuille bionique complète puisque l’ensemble de la chaîne photosynthétique a été reconstituée, depuis la coupure de la molécule d’eau grâce à l’énergie lumineuse, jusqu’à la transformation du CO2 en molécule organique. Dans un système photovoltaïque classique présentant un rendement énergétique de 18%, la feuille bionique décrite ici peut atteindre un rendement de production de carburant de l’ordre de 7%. Ce rendement peut paraître faible à première vue, mais il faut considérer d’abord que le rendement photosynthétique naturel n’est que de 1%, le système proposé fait donc beaucoup mieux. La deuxième chose à considérer est que l’énergie de base du système est l’énergie solaire, abondante et gratuite, ce qui rend donc ce système parfaitement rentable, même avec un rendement de 7%.

Bill Gates a dit que pour résoudre nos problèmes énergétiques, un jour nous aurons besoin de faire ce que fait la photosynthèse, et qu’un jour nous pourrions être en mesure de le faire encore plus efficacement que les plantes. D’après Daniel Nocera ce jour est arrivé.


Rédacteur :
- Marc Rousset, Attaché pour la Science et la Technologie, Chicago, attache-agro@ambascience-usa.org