Kawanishi, Japon, 15 novembre 2022 /PRNewswire/ — Les problèmes environnementaux tels que le changement climatique, l'épuisement des ressources naturelles, l'extinction des espèces, la pollution plastique et la déforestation s'aggravent dans le monde entier en raison d'une explosion démographique.
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 CO2) » permet de produire, à partir de CO2, d'eau et d'énergie solaire, des matières premières organiques destinées à la production de carburants et de produits chimiques, à l'instar des plantes. Ce procédé contribue également à la réduction des émissions de CO2, puisque ce dernier est utilisé comme matière première pour la production d'énergie et de ressources chimiques. La photosynthèse artificielle est ainsi considérée comme l'une des technologies vertes les plus récentes.
Les MOF (Metal Organic Frameworks) sont des matériaux ultraporeux composés d'agrégats de métaux inorganiques et de ligands organiques. Leur structure peut être contrôlée à l'échelle moléculaire, à l'échelle nanométrique, et ils présentent 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 possèdent une capacité de capture du CO₂ par photoréduction, autrement dit une photosynthèse artificielle.
Les points quantiques, quant à eux, sont des matériaux ultra-minces (0,5 à 9 nm) 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. 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 des points quantiques. 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.
Dans le cadre de l'Alliance pour la science verte, la synthèse de MOF et de points quantiques a été réalisée avec succès. Auparavant, des matériaux composites MOF-points quantiques ont été utilisés avec succès 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 caractère discontinu limite leur application industrielle.
En réponse, MM. Tetsuro Kajino et Hirohisa Iwabayashi, ainsi que le Dr Ryohei Mori de Green Science Alliance Co., Ltd., ont utilisé leur technologie pour immobiliser ces catalyseurs spéciaux de photosynthèse artificielle sur des feuilles de textile bon marché et ont mis au point un nouveau procédé de production d'acide formique. Ce procédé peut fonctionner en continu dans des applications industrielles concrètes. Une fois la réaction de photosynthèse artificielle terminée, l'eau contenant l'acide formique peut être extraite, puis remplacée par de l'eau fraîche pour permettre la reprise de la photosynthèse artificielle.
L'acide formique peut remplacer l'hydrogène comme carburant. L'un des principaux obstacles au développement d'une société de l'hydrogène à l'échelle mondiale est que l'hydrogène, étant le plus petit atome de l'univers, est difficile à stocker. La production de réservoirs d'hydrogène étanches serait par ailleurs très coûteuse. De plus, l'hydrogène gazeux est explosif et présente un risque pour la sécurité. L'acide formique, étant liquide, est plus facile à stocker comme carburant. Au besoin, il peut servir de catalyseur pour la production d'hydrogène in situ. Enfin, l'acide formique peut être utilisé comme matière première pour divers produits chimiques.
Bien que l'efficacité de la photosynthèse artificielle soit encore faible, la Green Science Alliance continuera de lutter pour améliorer son efficacité afin d'établir des applications pratiques pour la photosynthèse artificielle.