Le nouveau système de «photosynthèse artificielle» produit du méthane avec une efficacité 10x

Le nouveau système de «photosynthèse artificielle» produit du méthane avec une efficacité 10x

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. Crédit : Illustration par Peter Allen

La percée de l’Université de Chicago crée du méthane à partir du soleil, du dioxyde de carbone et de l’eau.

Les humains ont compté sur les combustibles fossiles pour l’énergie concentrée au cours des deux derniers siècles. Notre société a profité des substances pratiques et énergétiques riches en produits provenant de centaines de millions d’années de

photosynthèse
La photosynthèse est la façon dont les plantes et certains micro-organismes utilisent la lumière du soleil pour synthétiser les glucides à partir du dioxyde de carbone et de l’eau.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>photosynthèse[{“attribute=””>photosynthesis. Cependant, cet approvisionnement est limité et la consommation de combustibles fossiles a un énorme impact négatif 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

Université de Chicago
Fondée en 1890, l’Université de Chicago (UChicago, U of C ou Chicago) est une université de recherche privée à Chicago, Illinois. Située sur un campus de 217 acres dans le quartier de Hyde Park à Chicago, près du lac Michigan, l’école occupe les dix premières places dans divers classements nationaux et internationaux. UChicago est également bien connue pour ses écoles professionnelles : Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School et Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, et École Pritzker de génie moléculaire.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>UniversitédeChicago[{“attribute=””>UniversityofChicago chimiste 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.”

La « photosynthèse artificielle » est une option possible que les scientifiques explorent. Cela implique de retravailler le système d’une usine 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.

Maintenant, un nouveau système innovant de photosynthèse artificielle qui est plus productif que les systèmes artificiels précédents d’un ordre de grandeur est présenté dans une étude publiée dans la revue Catalyse naturelle le 10 novembre par six chimistes de l’Université de Chicago. 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’il reste encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir devenir un moyen pour vous de faire le plein de votre voiture tous les jours, la méthode donne aux scientifiques une nouvelle direction à explorer. De plus, à plus court terme, cela peut être utile 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 là. Il a fabriqué l’oxygène que nous respirons sur Terre et il 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 noyau de carbone juteux – CH4, également connu sous le nom de méthane.

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 :

acides aminés
Les acides aminés sont un ensemble de composés organiques utilisés pour fabriquer des protéines. Il existe environ 500 acides aminés naturels connus, bien que seulement 20 apparaissent dans le code génétique. Les protéines sont constituées d’une ou plusieurs chaînes d’acides aminés appelées polypeptides. La séquence de la chaîne d’acides aminés amène le polypeptide à se plier en une forme qui est biologiquement active. Les séquences d’acides aminés des protéines sont codées dans les gènes. Neuf acides aminés protéinogènes sont appelés "essentiel" pour les humains parce qu’ils ne peuvent pas être produits à partir d’autres composés par le corps humain et doivent donc être consommés comme nourriture.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>acidesaminés[{“attribute=””>aminoacids.

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 le

MOF
Les cadres métal-organique (MOF) sont une nouvelle classe de composés de matériaux poreux constitués d’interactions métal-ligand organique. Les MOF sont prometteurs pour améliorer l’efficience et l’efficacité des systèmes pratiques de séparation des gaz et présentent un intérêt pour le stockage de gaz tels que l’hydrogène et le dioxyde de carbone.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>MOF[{“attribute=””>MOFs en une seule couche, afin de fournir la surface maximale pour les réactions chimiques, et a 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.

“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.”

Professeur Wenbin Lin

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 systèmes.”

Les scientifiques ont utilisé les ressources de l’Advanced Photon Source, un synchrotron situé au Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie, pour caractériser les matériaux.

Les co-premiers auteurs de l’article étaient Guangxu Lan (PhD’20, maintenant à l’Université de Pékin), l’étudiante diplômée Yingjie Fan et Wenjie Shi (étudiante invitée, maintenant à l’Université de technologie de Tianjin. Les autres auteurs de l’article étaient Eric You (BS’20, maintenant étudiant diplômé à

AVEC
MIT est l’acronyme de Massachusetts Institute of Technology. C’est une prestigieuse université de recherche privée à Cambridge, Massachusetts qui a été fondée en 1861. Elle est organisée en cinq écoles : architecture et planification ; ingénierie; sciences humaines, arts et sciences sociales; la gestion; et les sciences. L’impact du MIT comprend de nombreuses percées scientifiques et avancées technologiques. Leur objectif déclaré est de créer un monde meilleur grâce à l’éducation, à la recherche et à l’innovation.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribut=””>MIT[{“attribute=””>MIT) et Samuel Veroneau (BS’20, actuellement doctorant à l’Université de Harvard).

Référence : “Sites actifs biomimétiques sur des cadres métal-organiques monocouches pour la photosynthèse artificielle” par Guangxu Lan, Yingjie Fan, Wenjie Shi, Eric You, Samuel S. Veroneau et Wenbin Lin, 10 novembre 2022, Catalyse naturelle.
DOI : 10.1038/s41929-022-00865-5

Financement : Université de Chicago, National Science Foundation, China Scholarship Council

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