Des travaux sur la photosynthèse artificielle primés par la Royal Society of Chemistry

Schéma de principe du système de photosynthèse artificielle détaillé dans "Low-cost high-efficiency system for solar-driven conversion of CO₂ to hydrocarbons" Tran Ngoc Huan et al,Proceedings of the National Academy of Sciences May 2019, 116 (20)"

Avec vos collègues à travers le monde, vous avez développé un système de photosynthèse artificielle. De quoi s’agit-il ?

Martin Foldyna : La photosynthèse est un processus qui permet aux plantes et à d’autres organismes vivants de convertir l’énergie solaire en énergie chimique. Par exemple, les plantes peuvent réduire le dioxyde de carbone (CO2) en sucre, qu’elles utilisent comme carburant. La photosynthèse artificielle cherche à imiter ce processus afin de fabriquer de l’hydrogène et des produits chimiques à haute valeur ajoutée, tels des hydrocarbures, à partir de CO2, d’eau et d’énergie solaire. Ces « carburants solaires » pourraient ensuite être utilisés et contribuer à une consommation énergétique plus soutenable. En elle-même, la photosynthèse artificielle n’est pas nouvelle, mais dans notre travail qui a été publié en 2019 dans la revue PNAS, nous avons réalisé un système efficace à bas coût.

Comment fonctionne ce système ?

Martin Foldyna : Notre machine comprend deux parties : un module photovoltaïque et un module électrochimique. En laboratoire, nous illuminons le module photovoltaïque par un éclairage semblable à la lumière solaire. Cette lumière est convertie en électricité, qui alimente en tension et en courant le module électrochimique, lequel est plongé dans de l’eau enrichie en CO2.  Ce module est composé de deux électrodes en oxyde de cuivre, un matériau qui agit comme catalyseur pour les réactions chimiques. Ces réactions décomposent l’eau en oxygène et hydrogène. Mais elles produisent également des composants à base de carbone, comme l’éthane et l’éthylène. Résumé ainsi, cela semble facile. Cependant, la chimie en jeu n’est pas triviale. De plus, même si produire ainsi de l’hydrogène est relativement facile, le rendement global que nous avons obtenu pour les hydrocarbures atteint 2,3 %, ce qui est déjà un très bon résultat.

Comment avez-vous travaillé ?

Martin Foldyna : Il s’agit d’un vrai travail collaboratif. Le but consistait à faire un système à la fois efficace et peu onéreux, parce que ce dernier point essentiel pour envisager des applications pratiques. Nos collègues chimistes du Collège de France ont conçu un catalyseur original pour les deux électrodes : un oxyde de cuivre dont la structure à l’échelle microscopique est dendritique, c’est-à-dire ramifiée. Cela donne aux électrodes une grande surface, ce qui bénéficie aux réactions. De plus, le cuivre est un matériau plus abondant et moins cher que d’autres catalyseurs tel l’iridium. Les cellules photovoltaïques ont été fabriquées à l’Ecole polytechnique de Turin, en Italie. Elles sont constituées de pérovskite, une famille de matériaux dont les propriétés promettent beaucoup pour les applications solaires à bas coût. Au Laboratoire de physique des interfaces et couches minces (LPICM*), j’ai été impliqué dans l’intégration du système dans son ensemble : le faire fonctionner et mesurer ses performances sous un éclairage solaire calibré. En particulier, il fallait assembler plusieurs cellules pour réaliser le module photovoltaïque, ce qui était un défi car les perovskites sont fragiles et leurs performances varient au cours du temps. Au bout du compte, je pense que le fait d’avoir développé un système complet et d’avoir démontré ses performances en lumière solaire a été apprécié par le jury de la Royal Society of Chemistry.

Le projet se poursuit-il ?

Martin Foldyna : Oui, de mon côté, je continue de travailler avec certaines personnes de cette collaboration. Nous voudrions réaliser une « feuille artificielle », c’est-à-dire un système vraiment tout-en-un qui puisse être directement plongé dans l’eau, illuminé par la lumière solaire et qui collecte les carburants solaires produits sous forme gazeuse. Mais les perovskites résistent mal à l’eau. C’est pourquoi je travaille sur une alternative : des nanofils à base de silicium.  La technologie qui sert à faire croître ces nanofils est semblable à celle utilisée pour les films minces, ce qui permettrait de réaliser des électrodes efficaces, avec une grande surface, et toujours à bas coût. Nous possédons une grande expertise sur cette technologie au LPICM et nous sommes en train de soumettre une publication montrant la production d’hydrogène par une telle feuille artificielle, sans aucune connexion externe.

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*LPICM : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris