Les feuilles artificielles imitent la photosynthèse – le processus par lequel les plantes utilisent l’eau et le dioxyde de carbone de l’air pour produire des glucides en utilisant l’énergie du soleil. Mais même les feuilles artificielles à la fine pointe de la technologie, qui sont prometteuses pour réduire le dioxyde de carbone de l’atmosphère, ne fonctionnent qu’en laboratoire parce qu’elles utilisent du dioxyde de carbone pur et pressurisé provenant des réservoirs.

Mais maintenant, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Chicago ont proposé une solution de conception qui pourrait faire sortir les feuilles artificielles des laboratoires et les introduire dans l’environnement. Leur feuille améliorée, qui utiliserait le dioxyde de carbone – un puissant gaz à effet de serre – de l’air, serait au moins 10 fois plus efficace que les feuilles naturelles pour convertir le dioxyde de carbone en carburant. Leurs conclusions sont publiées dans la revue ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Une feuille artificielle d’inspiration biologique. Le dioxyde de carbone (boules rouges et noires) pénètre dans la feuille lorsque l’eau (boules blanches et rouges) s’évapore du bas de la feuille. Un photosystème artificiel (cercle violet au centre de la feuille) composé d’un absorbeur de lumière recouvert de catalyseurs convertit le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et convertit l’eau en oxygène (représenté par des boules rouges doubles) en utilisant la lumière du soleil. (Image : Meenesh Singh).

« Jusqu’à présent, toutes les conceptions de feuilles artificielles qui ont été testées en laboratoire utilisent du dioxyde de carbone provenant de réservoirs pressurisés. Pour être mis en œuvre avec succès dans le monde réel, ces appareils doivent être capables d’extraire le dioxyde de carbone de sources beaucoup plus diluées, comme l’air et les gaz de combustion, qui sont les gaz émis par les centrales électriques au charbon « , a déclaré Meenesh Singh, professeur adjoint de génie chimique à la faculté d’ingénierie de l’UIC et auteur correspondant dans le document.

Débrancher l’alimentation en dioxyde de carbone sous pression de ces feuilles signifie qu’elles doivent avoir un moyen de recueillir et de concentrer le dioxyde de carbone de l’air pour stimuler leurs réactions photosynthétiques artificielles.

Meenesh Singh et son collègue Aditya Prajapati, un étudiant diplômé de son laboratoire, ont proposé de résoudre ce problème en encapsulant une feuille artificielle traditionnelle dans une capsule transparente faite d’une membrane semi-perméable de résine d’ammonium quaternaire et remplie d’eau. La membrane permet à l’eau de s’évaporer de l’intérieur lorsqu’elle est réchauffée par la lumière du soleil.

Lorsque l’eau s’écoule à travers la membrane, elle absorbe sélectivement le dioxyde de carbone de l’air. L’unité photosynthétique artificielle à l’intérieur de la capsule est constituée d’un absorbeur de lumière enduit de catalyseurs qui convertissent le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, qui peut être siphonné et utilisé comme base pour la création de divers carburants synthétiques. De l’oxygène est également produit et peut être recueilli ou rejeté dans le milieu environnant.

« En enveloppant la technologie traditionnelle des feuilles artificielles à l’intérieur de cette membrane spécialisée, l’ensemble de l’unité peut fonctionner à l’extérieur, comme une feuille naturelle « , a déclaré Meenesh Singh.

Selon leurs calculs, 360 feuilles de 1,7 mètre de long sur 0,2 mètre de large produiraient près d’une demi-tonne de monoxyde de carbone par jour qui pourrait servir de base à des carburants synthétiques. Trois cent soixante de ces feuilles artificielles couvrant une superficie de 500 mètres carrés pourraient réduire les niveaux de dioxyde de carbone de 10 % dans l’air ambiant à moins de 100 mètres du réseau en une journée.

« Notre conception utilise des matériaux et des technologies facilement disponibles qui, lorsqu’ils sont combinés, peuvent produire une feuille artificielle prête à être déployée à l’extérieur du laboratoire où elle peut jouer un rôle important dans la réduction des gaz à effet de serre dans l’atmosphère « , a déclaré M. Singh.

Ces travaux ont été réalisés au Laboratoire de génie des matériaux et des systèmes de l’UIC. Le département de génie chimique a fourni un soutien financier pour mener cette recherche. Une partie du financement a été fournie par l’entremise de la bourse de recherche du vice-recteur aux études supérieures de l’UIC.

https://today.uic.edu/moving-artificial-leaves-out-of-the-lab-and-into-the-air

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.8b04969?journalCode=ascecg