Projet H2020 HyMAP : Matériaux hybrides pour la photosynthèse artificielle

Imitant la nature, la photosynthèse artificielle utilise la lumière du soleil pour convertir le CO₂ et l'eau en composés qui produisent et libèrent de l'énergie. Mais au lieu de produire des sucres, comme c'est le cas pour les plantes vertes, la photosynthèse artificielle peut produire du monoxyde de carbone (CO), du méthane (CH₄), du méthanol (CH₃OH) et de l'hydrogène (H₂), autant de précieux carburants verts.

Le projet HyMAP (Matériaux hybrides pour la photosynthèse artificielle), financé par le Conseil européen de la recherche (CER), a été lancé pour développer une nouvelle génération de matériaux et de dispositifs hybrides organiques-inorganiques permettant d'effectuer les transformations chimiques nécessaires à la photosynthèse artificielle. Cela ouvrirait la voie au développement d'alternatives écologiques aux électrodes de stockage électrochimique pour batteries. L'équipe a étudié la photo(électro)catalyse à différentes échelles, des catalyseurs nanométriques aux réacteurs pilotes, créant ainsi de nouveaux matériaux hybrides photoactifs. « Nos résultats, notamment ceux qui augmentent le rendement, sont à la pointe des connaissances dans le domaine de la conversion du CO2 et marquent une étape importante dans ce domaine de recherche », déclare le chercheur principal Víctor A. de la Peña O'Shea de l'Institut de l'énergie IMDEA de l'Université de New York (ouvre une nouvelle fenêtre). Par conséquent, les résultats scientifiques sont largement diffusés dans des revues prestigieuses. La nouvelle famille de semi-conducteurs organiques du projet, les polymères poreux conjugués (ouvre une nouvelle fenêtre), a déjà été brevetée pour la production de combustible solaire. Matériaux hybrides

L’objectif principal de HyMAP était de développer des systèmes multifonctionnels dotés de capacités améliorées pour collecter la lumière de l’ensemble du spectre solaire.

Pour y parvenir, l'équipe a exploré les photocatalyseurs hybrides, en étudiant divers matériaux et approches. Les différentes stratégies adoptées étaient : (i) l'ingénierie de la bande interdite des semi-conducteurs inorganiques et (ii) organiques ; (iii) ainsi que leurs hétérojonctions associées ; (iv) les structures organométalliques (MOF) ; et (v) la conversion ascendante (UC). Les quatre premières options permettent de collecter l'ultraviolet ainsi que les régions visibles du spectre lumineux, tandis que les UC améliorent la collecte des longueurs d'onde infrarouges. De manière critique, les semi-conducteurs inorganiques et organiques améliorent la génération et le transfert de charge, augmentant ainsi les performances photocatalytiques. « La combinaison de différents matériaux, chacun spécialisé dans les fonctions distinctes des réactions photocatalytiques – principalement l'absorption de la lumière, la séparation des charges et la catalyse – a amélioré l'efficacité globale », explique de la Peña O'Shea.

Français Les mécanismes de réaction de ces matériaux ont été caractérisés en laboratoire à l'aide de diverses techniques in situ avancées, notamment la pression proche de la pression ambiante, la spectroscopie de photoélectrons X, la diffraction des rayons X et le rayonnement synchrotron. Réacteur solaire Les études de l'équipe ayant révélé que les hétérojonctions semi-conductrices hybrides organiques/inorganiques constituées d'un polymère poreux conjugué présentaient des performances particulièrement élevées, ils ont conçu un réacteur solaire en phase gazeuse. Il se composait d'un réflecteur solaire, d'un collecteur parabolique composé qui redirige tout le rayonnement solaire entrant vers le réacteur, et d'un réacteur annulaire tubulaire en verre borosilicaté, plus résistant aux températures élevées.

Ce prototype de réacteur s'est avéré capable de produire avec succès de l'hydrogène solaire à partir d'eau et de biomasse, ainsi que d'autres combustibles ou produits chimiques, tels que le CO, le CH4 et le CH3OH, en utilisant le CO2 comme réactif. « Ces excellents résultats pour la production de combustible solaire ont déjà conduit à une usine pilote, ce qui a permis d'approfondir nos connaissances et d'affiner les procédés avant d'envisager des opportunités commerciales », explique de la Peña O'Shea. « Nous devons étendre l'utilisation de ces matériaux hybrides à d'autres réactions, au-delà de la photocatalyse, pour inclure la photo(électro)catalyse, pour des combustibles et produits chimiques plus sophistiqués, tels que l'ammoniac, l'éthylène et le diméthyléther. » Passer à l'échelle supérieure pour relever de nouveaux défis L'équipe HyMAP a déjà lancé un projet de preuve de concept NanoCPPs financé par l'ERC afin de développer une preuve de concept permettant de mettre à l'échelle ses polymères poreux conjugués nanostructurés. « La nanostructure de ce polymère offre des propriétés améliorées, ouvrant la voie à de meilleures performances », ajoute-t-il.

Le défi qui reste à relever est de maximiser véritablement les propriétés électroniques de ces systèmes afin que les alternatives respectueuses de l’environnement proposées aux électrodes de stockage électrochimique actuelles pour les batteries puissent réellement progresser et devenir une réalité.