More information: Guangxu Lan et al, Biomimetic active sites on monolayered metal–organic frameworks for artificial photosynthesis, Nature Catalysis (2022). DOI: 10.1038/s41929-022-00865-5
Journal information: Nature Catalysis
Provided by University of Chicago
TRADUCTION DU JOUR/
Des chimistes créent un système de "photosynthèse artificielle" dix fois plus efficace que les systèmes existants
par Louise Lerner, Université de Chicago
Une étude de six chimistes de l'Université de Chicago montre un nouveau système innovant de photosynthèse artificielle qui est plus productif que les systèmes artificiels précédents d'un ordre de grandeur. Ci-dessus, une illustration artistique du processus. 1 crédit
Au cours des deux derniers siècles, les humains ont compté sur les combustibles fossiles pour une forme d'énergie concentrée ; des centaines de millions d'années de photosynthèse emballées dans une substance pratique et dense en énergie. Mais cet approvisionnement est limité et la consommation de combustibles fossiles a un impact négatif considérable sur le climat de la Terre.
"Le plus grand défi que beaucoup de gens ne réalisent pas est que même la nature n'a pas de solution pour la quantité d'énergie que nous utilisons", a déclaré le chimiste de l'Université de Chicago, Wenbin Lin. Même la photosynthèse n'est pas aussi bonne, a-t-il dit : "Nous devrons faire mieux que la nature, et ça fait peur."
Une option possible que les scientifiques explorent est la "photosynthèse artificielle" - retravailler le système d'une plante pour fabriquer nos propres types de carburants. Cependant, l'équipement chimique d'une seule feuille est incroyablement complexe et pas si facile à utiliser à nos propres fins.
Une étude de Nature Catalysis menée par six chimistes de l'Université de Chicago montre un nouveau système innovant de photosynthèse artificielle qui est plus productif que les systèmes artificiels précédents d'un ordre de grandeur. Contrairement à la photosynthèse ordinaire, qui produit des glucides à partir de dioxyde de carbone et d'eau, la photosynthèse artificielle pourrait produire de l'éthanol, du méthane ou d'autres carburants.
Bien qu'elle ait encore un long chemin à parcourir avant de devenir un moyen pour vous d'alimenter votre voiture tous les jours, la méthode donne aux scientifiques une nouvelle direction à explorer et peut être utile à court terme pour la production d'autres produits chimiques.
"Il s'agit d'une énorme amélioration par rapport aux systèmes existants, mais tout aussi important, nous avons pu exposer une compréhension très claire du fonctionnement de ce système artificiel au niveau moléculaire, ce qui n'avait jamais été accompli auparavant", a déclaré Lin, qui est le James Franck Professeur de chimie à l'Université de Chicago et auteur principal de l'étude.
"Nous aurons besoin d'autre chose"
"Sans la photosynthèse naturelle, nous ne serions pas ici. Elle a créé l'oxygène que nous respirons sur Terre et elle fabrique la nourriture que nous mangeons", a déclaré Lin. "Mais il ne sera jamais assez efficace pour nous fournir du carburant pour conduire des voitures; nous aurons donc besoin d'autre chose."
Le problème est que la photosynthèse est conçue pour créer des glucides, qui sont parfaits pour nous alimenter, mais pas pour nos voitures, qui ont besoin d'une énergie beaucoup plus concentrée. Les chercheurs qui cherchent à créer des alternatives aux combustibles fossiles doivent donc repenser le processus pour créer des combustibles plus denses en énergie, tels que l'éthanol ou le méthane.
Dans la nature, la photosynthèse est réalisée par plusieurs assemblages très complexes de protéines et de pigments. Ils absorbent l'eau et le dioxyde de carbone, séparent les molécules et réarrangent les atomes pour former des glucides, une longue chaîne de composés hydrogène-oxygène-carbone. Les scientifiques, cependant, doivent retravailler les réactions pour produire à la place un arrangement différent avec juste de l'hydrogène entourant un carbone juteux
Cette réingénierie est beaucoup plus délicate qu'il n'y paraît; les gens le bricolent depuis des décennies, essayant de se rapprocher de l'efficacité de la nature.
Lin et son équipe de laboratoire ont pensé qu'ils pourraient essayer d'ajouter quelque chose que les systèmes de photosynthèse artificielle n'ont pas inclus à ce jour : les acides aminés.
L'équipe a commencé avec un type de matériau appelé cadre organométallique ou MOF, une classe de composés constitués d'ions métalliques maintenus ensemble par des molécules de liaison organiques. Ensuite, ils ont conçu les MOF comme une seule couche, afin de fournir la surface maximale pour les réactions chimiques, et ont tout immergé dans une solution qui comprenait un composé de cobalt pour transporter les électrons. Enfin, ils ont ajouté des acides aminés aux MOF et ont expérimenté pour déterminer lequel fonctionnait le mieux.
Ils ont pu apporter des améliorations aux deux moitiés de la réaction : le processus qui sépare l'eau et celui qui ajoute des électrons et des protons au dioxyde de carbone. Dans les deux cas, les acides aminés ont aidé la réaction à se dérouler plus efficacement.
Cependant, même avec des performances considérablement améliorées, la photosynthèse artificielle a encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir produire suffisamment de carburant pour être pertinente pour une utilisation généralisée. "Là où nous en sommes actuellement, il faudrait augmenter de plusieurs ordres de grandeur pour produire une quantité suffisante de méthane pour notre consommation", a déclaré Lin.
La percée pourrait également être largement appliquée à d'autres réactions chimiques; il faut produire beaucoup de carburant pour que cela ait un impact, mais des quantités beaucoup plus petites de certaines molécules, telles que les matières premières pour fabriquer des médicaments pharmaceutiques et des nylons, entre autres, pourraient être très utiles.
"Beaucoup de ces processus fondamentaux sont les mêmes", a déclaré Lin. "Si vous développez de bonnes chimies, elles peuvent être connectées à de nombreux
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COMMENTAIRES
L'idée de départ de CHICAGO Univ est typiquement le produit de l' ''american way of life '';continuer à utiliser des moteurs thermiques a combustibles en utilisant l 'enjolivement gratuit sur une surface chimique adaptée et plus efficace que les feuilles des plantes ......Mais les écologistes jugeront aussi ces procédés comme très utiles pour stabiliser le taux croissants de CO2 atmosphérique ... Les plantes fonctionnent trop lentement et il n 'est pas nécessaire somme toute que la photosynthèse artificielle conduise à un résultat final qui soit des feuilles et de l 'oxygène ......
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More information: Guangxu Lan et al, Biomimetic active sites on monolayered metal–organic frameworks for artificial photosynthesis, Nature Catalysis (2022). DOI: 10.1038/s41929-022-00865-5
Journal information: Nature Catalysis
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