Alors que le monde fait facial area à une demande croissante de sources d’énergie propres et durables, les scientifiques se tournent vers la puissance de la photosynthèse pour s’inspirer. Dans le but de développer de nouvelles procedures respectueuses de l’environnement pour produire de l’hydrogène à combustion propre, une équipe de chercheurs de l’Université de Rochester se lance dans un projet révolutionnaire visant à imiter le processus naturel de la photosynthèse en utilisant des bactéries pour fournir des électrons à un photocatalyseur semi-conducteur à nanocristaux.
Dans un write-up publié dans la revue PNAS, Kara Bren, professeur de chimie Richard S. Eisenberg à Rochester, et Todd Krauss, professeur de chimie, démontrent que la bactérie Shewanella oneidensis offre un moyen efficace, mais gratuit, de fournir des électrons à leur système de photosynthèse artificielle. En exploitant les propriétés uniques de ces micro-organismes ainsi que des nanomatériaux, le système a le potentiel de remplacer les approches actuelles qui dérivent l’hydrogène des combustibles fossiles, révolutionnant la façon dont l’hydrogène est produit et débloquant une puissante source d’énergie renouvelable.
“L’hydrogène est définitivement un carburant d’un grand intérêt pour le DOE en ce moment”, a déclaré Bren. “Si nous pouvons trouver un moyen d’extraire efficacement l’hydrogène de l’eau, cela pourrait conduire à une croissance incroyable de l’énergie propre.”
“Un carburant idéal”
L’hydrogène est “un carburant idéal”, dit Bren, “parce qu’il est respectueux de l’environnement et une alternate sans carbone aux combustibles fossiles”.
L’hydrogène est l’élément le additionally abondant dans l’univers et peut être produit à partir de diverses sources, notamment l’eau, le gaz naturel et la biomasse. Contrairement aux combustibles fossiles, qui produisent des gaz à effet de serre et d’autres polluants, lorsque l’hydrogène est brûlé, le seul sous-produit est la vapeur d’eau. Le carburant hydrogène a également une densité énergétique élevée, ce qui signifie qu’il contient beaucoup d’énergie par unité de poids. Il peut être utilisé dans une variété d’applications, y compris les piles à combustible, et peut être fabriqué à petite et à grande échelle, ce qui le rend faisable pour tout, de l’utilisation domestique à la fabrication industrielle.
Les enjeux de l’utilisation de l’hydrogène
Malgré l’abondance de l’hydrogène, il n’y a pratiquement pas d’hydrogène pur sur Terre il est presque toujours lié à d’autres éléments, comme le carbone ou l’oxygène, dans des composés comme les hydrocarbures et l’eau. Pour utiliser l’hydrogène comme source de carburant, il doit être extrait de ces composés.
Les scientifiques ont historiquement extrait l’hydrogène soit des combustibles fossiles, soit, in addition récemment, de l’eau. Pour atteindre ce dernier, il y a une poussée majeure pour utiliser la photosynthèse artificielle.
Au cours de la photosynthèse naturelle, les plantes absorbent la lumière du soleil, qu’elles utilisent pour alimenter des réactions chimiques afin de convertir le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène. Essentiellement, l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique qui alimente l’organisme.
De même, la photosynthèse artificielle est un processus de conversion d’une matière première abondante et de la lumière du soleil en un carburant chimique. Les systèmes qui imitent la photosynthèse nécessitent trois composants : un absorbeur de lumière, un catalyseur pour fabriquer le carburant et une supply d’électrons. Ces systèmes sont généralement immergés dans l’eau et une supply lumineuse fournit de l’énergie à l’absorbeur de lumière. L’énergie permet au catalyseur de combiner les électrons fournis avec les protons de l’eau environnante pour produire de l’hydrogène gazeux.
Cependant, la plupart des systèmes actuels dépendent des combustibles fossiles pendant le processus de production ou n’ont pas de moyen efficace de transférer les électrons.
“La façon dont l’hydrogène est produit aujourd’hui en fait effectivement un combustible fossile”, déclare Bren. “Nous voulons obtenir de l’hydrogène à partir de l’eau dans une réaction axée sur la lumière afin d’avoir un carburant vraiment propre – et le faire de manière à ne pas utiliser de combustibles fossiles dans le processus.”
Le système exclusive de Rochester
Le groupe de Krauss et le groupe de Bren travaillent depuis environ une décennie pour développer un système efficace qui emploie la photosynthèse artificielle et utilise des nanocristaux semi-conducteurs pour les absorbeurs de lumière et les catalyseurs.
Dans leur post, Krauss et Bren font état d’un donneur d’électrons inconceivable : les bactéries. Ils ont découvert que Shewanella oneidensis, une bactérie recueillie pour la première fois dans le lac Oneida, dans le nord de l’État de New York, offre un moyen efficace, gratuit mais efficace, de fournir des électrons à leur système.
Alors que d’autres laboratoires ont combiné nanostructures et bactéries, “tous ces attempts consistent à prélever des électrons des nanocristaux et à les mettre dans les bactéries, puis à utiliser la machinerie bactérienne pour préparer des carburants”, explique Bren. “Pour autant que nous le sachions, le nôtre est le leading cas à aller dans le sens opposé et à utiliser la bactérie comme source d’électrons pour un catalyseur nanocristallin.”
Lorsque les bactéries se développent dans des disorders anaérobies – des conditions sans oxygène – elles respirent des substances cellulaires comme carburant, libérant des électrons dans le processus. Shewanella oneidensis peut prendre des électrons générés par son propre métabolisme interne et les donner au catalyseur externe.
Un carburant du futur
Bren envisage qu’à l’avenir, les maisons individuelles pourraient potentiellement avoir des cuves et des réservoirs souterrains pour exploiter la puissance du soleil afin de produire et de stocker de petites quantités d’hydrogène, permettant aux gens d’alimenter leurs maisons et leurs voitures avec du carburant peu coûteux et propre. Bren take note qu’il existe actuellement des trains, des bus et des voitures alimentés par des piles à hydrogène, mais que presque tout l’hydrogène disponible pour alimenter ces systèmes provient de combustibles fossiles.
“La technologie existe”, dit-elle, “mais jusqu’à ce que l’hydrogène provienne de l’eau dans une réaction induite par la lumière – sans utiliser de combustibles fossiles – cela n’aide pas vraiment l’environnement.”