Le système créé par les chercheurs de l’Université de Rochester imite la photosynthèse, en utilisant des nanocristaux semi-conducteurs comme absorbeurs de lumière et catalyseurs et des bactéries pour donner des électrons au système. Le système est immergé dans l’eau et alimenté par la lumière. Les bactéries (les gros bâtonnets) interagissent avec les catalyseurs à nanoparticules (les petits points orange) pour produire de l’hydrogène gazeux (H2, les bulles). Crédit : illustration de l’Université de Rochester / Michael Osadciw
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Des chercheurs de l’université de Rochester exploitent la puissance des bactéries et des nanomatériaux pour imiter le processus de photosynthèse et produire de l’hydrogène propre.
Alors que le besoin mondial d’énergie propre et durable s’intensifie, les scientifiques s’inspirent du processus de photosynthèse. Dans le but de concevoir des méthodes innovantes et respectueuses de l’environnement pour créer de l’hydrogène propre, une équipe de recherche de l’université de Rochester a lancé un projet révolutionnaire visant à imiter artificiellement la photosynthèse, en utilisant des bactéries pour transmettre des électrons à un photocatalyseur semi-conducteur à base de nanocristaux.
Dans une étude récemment publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, Kara Bren, professeur de chimie Richard S. Eisenberg à Rochester, et Todd Krauss, professeur de chimie, révèlent que la bactérie Shewanella oneidensis peut servir de source rentable et efficace d’électrons pour leur système de photosynthèse artificielle.
En tirant parti des propriétés uniques de ces micro-organismes et des nanomatériaux, le système pourrait remplacer les approches actuelles qui tirent l’hydrogène des combustibles fossiles, révolutionnant ainsi la manière dont l’hydrogène est produit et ouvrant la voie à une puissante source d’énergie renouvelable.
« L’hydrogène est sans aucun doute un combustible qui intéresse beaucoup le ministère de l’énergie à l’heure actuelle », explique M. Bren. « Si nous parvenons à trouver un moyen d’extraire efficacement l’hydrogène de l’eau, cela pourrait entraîner une croissance incroyable de l’énergie propre.
Un carburant idéal
L’hydrogène est « un carburant idéal », affirme M. Bren, « parce qu’il est respectueux de l’environnement et constitue une alternative sans carbone aux combustibles fossiles ».
L’hydrogène est l’élément le plus abondant de 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, la combustion de l’hydrogène ne produit que de la vapeur d’eau. L’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 produit à petite ou grande échelle, ce qui le rend utilisable dans tous les domaines, de l’usage domestique à la fabrication industrielle.
Les défis 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, tels que le carbone ou l’oxygène, dans des composés comme les hydrocarbures et l’eau. Pour utiliser l’hydrogène comme source de carburant, il faut l’extraire de ces composés.
Historiquement, les scientifiques ont extrait l’hydrogène soit des combustibles fossiles, soit, plus récemment, de l’eau. Pour parvenir à cette dernière solution, la photosynthèse artificielle fait l’objet d’une forte demande.
Au cours de la photosynthèse naturelle, les plantes absorbent la lumière du soleil, qu’elles utilisent pour alimenter des réactions chimiques visant à convertir le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène. En fait, 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 combustible chimique. Les systèmes qui imitent la photosynthèse nécessitent trois composants : un absorbeur de lumière, un catalyseur pour fabriquer le carburant et une source d’électrons. Ces systèmes sont généralement immergés dans l’eau et une source de lumière 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.
La plupart des systèmes actuels dépendent toutefois des combustibles fossiles pendant le processus de production ou ne disposent pas d’un moyen efficace de transférer les électrons.
« La façon dont l’hydrogène est produit aujourd’hui en fait un combustible fossile », explique M. Bren. « Nous voulons obtenir de l’hydrogène à partir de l’eau dans une réaction pilotée par la lumière afin de disposer d’un carburant vraiment propre, et ce, sans utiliser de combustibles fossiles au cours du processus.
Le système unique de Rochester
Le groupe de Krauss et le groupe de Bren travaillent depuis une dizaine d’années à la mise au point d’un système efficace qui utilise la photosynthèse artificielle et des nanocristaux semi-conducteurs comme absorbeurs de lumière et catalyseurs.
L’une des difficultés rencontrées par les chercheurs a été de trouver une source d’électrons et de transférer efficacement les électrons du donneur d’électrons aux nanocristaux. D’autres systèmes ont utilisé l’acide ascorbique, communément appelé vitamine C, pour renvoyer les électrons dans le système. Bien que la vitamine C puisse sembler bon marché, « il faut une source d’électrons presque gratuite, sinon le système devient trop cher », explique M. Krauss.
Dans leur article, Krauss et Bren font état d’un donneur d’électrons improbable : les bactéries. Ils ont découvert que Shewanella oneidensis, une bactérie récoltée pour la première fois dans le lac Oneida, au nord de l’État de New York, offrait un moyen efficace et gratuit de fournir des électrons à leur système.
Si d’autres laboratoires ont combiné nanostructures et bactéries, « tous ces efforts consistent à prélever des électrons sur les nanocristaux et à les introduire dans les bactéries, puis à utiliser la machinerie bactérienne pour préparer les carburants », explique M. Bren. « Pour autant que nous le sachions, notre projet est le premier à aller dans le sens inverse et à utiliser la bactérie comme source d’électrons pour un catalyseur à nanocristaux.
Lorsque les bactéries se développent dans des conditions anaérobies, c’est-à-dire sans oxygène, elles respirent des substances cellulaires comme carburant, libérant ainsi des électrons. Shewanella oneidensis peut prendre les électrons générés par son propre métabolisme interne et les donner au catalyseur externe.
Un carburant d’avenir
M. Bren imagine qu’à l’avenir, les particuliers pourraient disposer de cuves et de réservoirs souterrains pour exploiter l’énergie solaire afin de produire et de stocker de petites quantités d’hydrogène, ce qui permettrait aux gens d’alimenter leur maison et leur voiture avec un carburant peu coûteux et propre. Bren note qu’il existe actuellement des trains, des bus et des voitures alimentés par des piles à hydrogène, mais que la quasi-totalité de l’hydrogène disponible pour alimenter ces systèmes provient de combustibles fossiles.
« La technologie existe », dit-elle, « mais tant que l’hydrogène n’est pas produit à partir de l’eau dans le cadre d’une réaction pilotée par la lumière – sans utiliser de combustibles fossiles – cela n’aide pas vraiment l’environnement ».
Référence : « Shewanella oneidensis MR-1 respire des points quantiques de CdSe pour l’évolution photocatalytique de l’hydrogène » par Emily H. Edwards, Jana Jelušić, Ryan M. Kosko, Kevin P. McClelland, Soraya S. Ngarnim, Wesley Chiang, Sanela Lampa-Pastirk, Todd D. Krauss et Kara L. Bren, 17 avril 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2206975120
L’étude a été financée par le ministère américain de l’énergie.