KAWANISH, Japon, 15 novembre 2022 /PRNewswire/ — Les problèmes environnementaux tels que le changement climatique, l'épuisement des ressources, l'extinction des espèces, la pollution plastique et la déforestation causées par l'explosion démographique mondiale deviennent de plus en plus urgents.
Le dioxyde de carbone (CO2) est un gaz à effet de serre et l'une des principales causes du changement climatique. À cet égard, un procédé appelé « photosynthèse artificielle (photoréduction du dioxyde de carbone) » permet de produire des matières premières organiques pour la production de carburants et de produits chimiques à partir de dioxyde de carbone, d'eau et d'énergie solaire, à l'instar des plantes. Ce procédé réduit simultanément les émissions de CO2, qui est utilisé comme matière première pour la production d'énergie et de produits chimiques. La photosynthèse artificielle est ainsi reconnue comme l'une des technologies vertes les plus avancées.
Les MOF (réseaux métallo-organiques) sont des matériaux superporeux composés d'agrégats de métaux inorganiques et de ligands organiques. Leur structure peut être contrôlée à l'échelle moléculaire nanométrique, avec une grande surface spécifique. Grâce à ces propriétés, les MOF trouvent des applications dans le stockage et la séparation des gaz, l'adsorption de métaux, la catalyse, la vectorisation de médicaments, le traitement de l'eau, les capteurs, les électrodes, les filtres, etc. Récemment, il a été démontré que les MOF sont capables de capter le CO₂, qui peut être utilisé pour produire des substances organiques par photoréduction, également appelée photosynthèse artificielle.
Les points quantiques, quant à eux, sont des matériaux ultra-minuscules (0,5 à 9 nanomètres) dont les propriétés optiques obéissent aux lois de la chimie et de la mécanique quantiques. On les appelle « atomes ou molécules artificiels » car chaque point quantique est constitué de quelques atomes ou molécules seulement, voire de quelques milliers. À cette échelle, les niveaux d'énergie des électrons ne sont plus continus et se séparent en raison d'un phénomène physique appelé confinement quantique. Dans ce cas, la longueur d'onde de la lumière émise dépend de la taille du point quantique. Grâce à leur forte capacité d'absorption de la lumière, leur aptitude à générer de multiples excitons et leur grande surface spécifique, ces points quantiques peuvent également être utilisés en photosynthèse artificielle.
L'Alliance pour la science verte a synthétisé à la fois des MOF et des points quantiques. Auparavant, elle avait utilisé avec succès des composites MOF-points quantiques pour produire de l'acide formique, un catalyseur spécifique pour la photosynthèse artificielle. Cependant, ces catalyseurs se présentent sous forme de poudre et nécessitent une filtration à chaque étape du processus. De ce fait, leur application industrielle est difficile, car ces procédés ne sont pas continus.
En réponse, MM. Kajino Tetsuro et Iwabayashi Hirohisa, ainsi que le Dr Mori Ryohei de Green Science Alliance Co., Ltd., ont utilisé leur technologie pour immobiliser ces catalyseurs spéciaux de photosynthèse artificielle sur un tissu textile bon marché et ont inauguré une nouvelle unité de production d'acide formique. Le procédé peut fonctionner en continu pour des applications industrielles concrètes. Une fois la réaction de photosynthèse artificielle terminée, l'eau contenant l'acide formique est extraite, puis remplacée par de l'eau fraîche pour relancer la photosynthèse.
L'acide formique peut remplacer l'hydrogène comme carburant. L'un des principaux freins à l'adoption mondiale d'une société basée sur l'hydrogène est la difficulté de stocker cet atome, le plus petit de l'univers, et le coût exorbitant d'un réservoir étanche. De plus, l'hydrogène gazeux est explosif et présente un risque pour la sécurité. L'acide formique, liquide, est beaucoup plus facile à stocker comme carburant. Au besoin, il peut catalyser la réaction de production d'hydrogène in situ. Enfin, il peut servir de matière première pour divers produits chimiques.
Même si l'efficacité de la photosynthèse artificielle est actuellement encore très faible, la Green Science Alliance continuera de lutter pour l'accroître et introduire une photosynthèse artificielle véritablement appliquée.