Cette « feuille » autonome produit du carburant liquide à partir de soleil, d'eau et de CO₂ avec une efficacité record.
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Une équipe de recherche dirigée par Yale a mis au point le premier dispositif autonome qui produit du méthanol, un carburant liquide, en utilisant uniquement la lumière du soleil, de l'eau et du dioxyde de carbone comme ingrédients.
Cette « feuille » artificielle, à l'instar de son homologue naturelle, est une véritable prouesse chimique. Elle porte la reproduction scientifique de la photosynthèse — le processus de conversion de la lumière du soleil et de l'eau en énergie chimique — à un niveau inédit, convertissant la lumière du soleil en méthanol avec une efficacité 32 fois supérieure au précédent record de conversion pour les technologies de feuilles artificielles produisant de l'alcool.
Qu'est-ce que la photosynthèse ?
La photosynthèse est le processus naturel par lequel les plantes (ainsi que les algues et certaines bactéries) convertissent la lumière du soleil en énergie chimique, transformant le dioxyde de carbone et l'eau en glucose et libérant de l'oxygène dans l'atmosphère.
Qu'est-ce qu'une feuille artificielle ?
Une feuille artificielle reproduit la photosynthèse en utilisant des catalyseurs et la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en carburants chimiques.
En quoi le nouveau concept de feuille artificielle développé par Yale est-il différent ?
La feuille artificielle mise au point dans le laboratoire du chimiste de Yale, Hailiang Wang, et financée par le Centre pour les approches hybrides de l'énergie solaire aux carburants liquides ( CHASE: Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels), est le premier dispositif autonome qui produit du méthanol, un carburant liquide, en utilisant uniquement la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone comme ingrédients.
« Cela semble prometteur, avec un concept comparable à ce que fait la nature », a déclaré Hailiang Wang, professeur de chimie à la Faculté des arts et des sciences de Yale, membre de l'Institut des sciences de l'énergie de Yale et du Centre de Yale pour la capture naturelle du carbone, et auteur principal d'une nouvelle étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society. « Dès que nous avons vu les premiers résultats, nous avons été extrêmement enthousiastes. »
Cette nouvelle « feuille » offre plusieurs avantages commerciaux et environnementaux. Elle capte le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre et principal responsable du changement climatique, présent dans l'air ; elle produit du méthanol, une matière première chimique de plus en plus utilisée et un carburant liquide alternatif ; et elle propose une nouvelle méthode viable de conversion et de stockage de l'énergie solaire.
Cette étude représente également une étape importante pour le Centre pour les approches hybrides de l'énergie solaire et des carburants liquides ( CHASE ), un pôle de recherche sur l'énergie solaire financé par le gouvernement fédéral et regroupant sept institutions de recherche américaines , basé à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ( UNC -Chapel Hill). Outre Yale, cette nouvelle étude réunit des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord à Raleigh, de l'UNC -Chapel Hill et de l'Université de Pennsylvanie.
Wang et Bo Shang, étudiant à la Graduate School of Arts and Sciences de Yale et chercheur au sein du laboratoire Wang, ont dirigé la conception du nouveau système, qui faisait partie de la thèse de doctorat de Shang.
Au cœur de ce nouveau système se trouvent deux découvertes réalisées et perfectionnées au cours de la dernière décennie au sein du laboratoire Wang : un catalyseur unique et une photoélectrode innovante qui, combinés, permettent un processus de conversion plus puissant et rationalisé, susceptible d’être étendu à une utilisation plus large.
Photographie du nouvel appareil en fonctionnement. Crédit : Bo Shang
Le premier catalyseur, mis au point en 2019, convertit le dioxyde de carbone et l'eau en méthanol grâce à l'électricité. Il s'agit d'un type de catalyseur appelé électrocatalyseur moléculaire hétérogène : « hétérogène » car il s'agit d'un matériau catalytique solide fonctionnant dans un électrolyte liquide, et « moléculaire » car le site actif du catalyseur est une structure moléculaire.
La structure particulière du catalyseur est la clé, a déclaré Wang.
Lui et son équipe ont fixé des molécules individuelles de phtalocyanine de cobalt (ou un dérivé) à la surface de nanotubes de carbone, des tubes de diamètre nanométrique constitués de couches de graphène enroulées. Ces nanotubes agissent comme une voie de transport pour les électrons, assurant un apport rapide et continu d'électrons aux sites catalytiques pour la conversion du dioxyde de carbone en méthanol. Il s'agit d'un processus de réduction à six électrons, ont précisé les chercheurs, ce qui signifie que six électrons sont injectés dans une molécule de dioxyde de carbone.
Avant cette découverte, une distribution plus limitée d'électrons — un processus de réduction à deux électrons — signifiait que les catalyseurs moléculaires ne pouvaient convertir le dioxyde de carbone qu'en produits tels que le monoxyde de carbone.
L'étape suivante fut la mise au point par Shang d'une photoélectrode constituée d'un réseau de micropiliers de silicium recouverts d'une couche de carbone de fullerène. Cette conception structurelle, présentant une géométrie optimale pour la génération et la séparation des charges, une interface adaptée au transfert d'électrons et une surface accrue pour l'ancrage du catalyseur, a permis d'obtenir la conversion photoélectrocatalytique du CO₂ en méthanol, à base de silicium, la plus efficace jamais rapportée.
« Au départ, l’idée de faire fonctionner un tel appareil de manière autonome me paraissait très improbable », explique Shang, premier auteur de la nouvelle étude. « Pendant plus de cinq ans de travail au sein du projet CHASE , nous avons développé chaque composant de l’appareil de A à Z. Le voir transformer la lumière du soleil, l’eau et le CO2 en carburant utilisable est incroyablement gratifiant, et nous avons vraiment l’impression que ce n’est que le début du potentiel de cette approche. »
L'équipe de recherche a continué d'améliorer la structure de sa nouvelle feuille afin d'accroître l'efficacité de conversion — un processus qui se poursuivra maintenant que l'approche a prouvé son efficacité, a déclaré Wang.
Les co-auteurs de l'étude, affiliés à Yale, sont Kunpeng Yu, Haozhou Yang, Yuanzuo Gao, Jindou Yang, Jing Li, Min Li, Jinquan Shi et Mengxia Liu. Parmi les autres co-auteurs figurent Hannah Margavio et Gregory Parsons de l'Université d'État de Caroline du Nord à Raleigh, Jillian Dempsey et Gerald Meyer de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, ainsi que Thomas Mallouk de l'Université de Pennsylvanie.
CHASE , un pôle d'innovation énergétique financé par le Bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis , a soutenu la recherche.
https://news.yale.edu/2026/06/04/growing-new-leaf-harnesses-sun-water-and-co2-make-liquid-fuel