Illustration mettant en évidence les trois formes de catalyse décrites dans la nouvelle étude. Crédit : Graphique de Jason Drees, The Biodesign Institute de l’Arizona State University
Chaque jour qui passe, le côté obscur de notre dépendance aux combustibles fossiles devient plus apparent. En plus de réduire les émissions de dioxyde de carbone, la société doit trouver des alternatives durables pour alimenter le monde moderne.
Dans une nouvelle étude, Gary Moore et son groupe de recherche explorent différentes approches de la catalyse, un processus chimique qui joue un rôle essentiel dans les réactions biologiques, ainsi que de nombreuses applications industrielles.
Les catalyseurs sont des substances qui accélèrent la vitesse des réactions chimiques, sans être consommées pendant le processus de réaction. Les catalyseurs enzymatiques sont si importants dans la nature que la vie serait impossible sans eux, car les conditions au sein des cellules vivantes ne sont pas propices à de nombreux processus chimiques vitaux. Des réactions chimiques qui nécessiteraient autrement des heures, voire des jours, peuvent se dérouler en moins d’une seconde à l’aide de catalyseurs enzymatiques.
Les catalyseurs chimiques ont été utilisés dans une variété d’applications humaines, allant du développement pharmaceutique aux plastiques biodégradables et aux engrais sans danger pour l’environnement. Ils peuvent également faire progresser le développement de solutions énergétiques vertes pour faire face à la crise climatique, un domaine que le groupe de Moore a activement poursuivi.
Gary Moore est chercheur au Biodesign Center for Applied Structural Discovery et à la School of Molecular Sciences de l’ASU. Crédit : The Biodesign Institute de l’Arizona State University
Moore est chercheur au Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) et professeur agrégé à la School of Molecular Sciences (SMS) de l’ASU. Il est rejoint par Daiki Nishiori, un étudiant diplômé en SMS et auteur principal de la nouvelle étude, ainsi que Brian Wadsworth, un ancien étudiant diplômé en SMS qui est maintenant employé chez Intel Corporation.
Les résultats de l’étude apparaissent dans le numéro actuel de la revue Catalyse chimique.
Les catalyseurs de près
La nouvelle étude s’appuie sur des enquêtes sur le comportement des catalyseurs menées par Moore et ses collègues de l’ASU ainsi que d’autres chercheurs dans le domaine. L’article de perspective actuel décrit trois formes de catalyse – enzymatique, électrocatalytique et photoélectrosynthétique – décrivant les progrès réalisés à ce jour et soulignant certains des défis restants auxquels sont confrontés les scientifiques à la recherche d’une compréhension globale de ces phénomènes importants.
Alors que l’étude de la catalyse enzymatique dans les organismes vivants a beaucoup appris, les chercheurs espèrent développer des alternatives synthétiques qui peuvent améliorer les conceptions de la nature. « Il est difficile d’imiter les enzymes biologiques pour la catalyse », explique Nishiori. « Les enzymes biologiques ont des structures protéiques tridimensionnelles complexes » et fonctionnent dans des conditions très différentes de celles de la plupart des catalyseurs fabriqués par l’homme.
Daiki Nishiori est chercheur au centre de biodesign pour la découverte structurelle appliquée et à l’école des sciences moléculaires de l’ASU. Crédit : The Biodesign Institute de l’université d’État de l’Arizona
Au lieu de cela, les chercheurs espèrent produire une nouvelle gamme de catalyseurs synthétiques pour conduire des réactions chimiques avec une grande efficacité. Des résultats positifs pourraient grandement améliorer la production industrielle de nombreux produits bénéfiques pour la société. Il s’agit notamment de nouveaux types de carburants neutres en carbone ou sans carbone.
“Nous couvrons une bonne partie de l’espace matériel dans cet article, y compris la catalyse chimique traditionnelle par des enzymes, ainsi que des processus électrocatalytiques médiés par des complexes biologiques et/ou synthétiques”, explique Moore. L’étude passe ensuite à la description des systèmes hybrides qui capturent l’énergie lumineuse rayonnante et l’utilisent pour entraîner des réactions de transfert de charge. Le parallèle évident dans la nature est avec les processus photosynthétiques effectués par les plantes.
Mais les technologies de photosynthèse artificielle ne peuvent pas simplement reproduire le modèle de la nature. En plus d’une compréhension limitée des relations structure-fonction régissant leurs performances, les plantes photosynthétiques convertissent et stockent à peine 1% de la lumière solaire incidente captée par leurs feuilles sous forme de liaisons chimiques. Ces liens constituent en fin de compte les aliments que nous consommons et, à des échelles de temps géologiques plus longues, les combustibles fossiles à base de carbone dont dépendent nos sociétés modernes. C’est tout ce dont une plante saine a besoin pour se développer et se reproduire, mais c’est insuffisant pour les applications humaines.
Des recherches éclairantes
Concevoir de nouveaux dispositifs photoélectrosynthétiques implique d’utiliser une technologie de collecte de lumière, similaire aux cellules photovoltaïques actuelles, et de la coupler à une fine couche de matériau catalytique. Dans ce schéma, les porteurs de charge sont transférés d’une surface semi-conductrice vers des sites catalytiques. Une fois qu’un catalyseur a accumulé suffisamment de porteurs de charge, il entre dans un état dit activé, permettant à la catalyse de se poursuivre. Le procédé peut être utilisé pour produire de l’hydrogène à partir d’eau ou pour produire des formes réduites de CO2, y compris le méthane, le monoxyde de carbone, les combustibles liquides et d’autres produits industriellement utiles.
« Dans le cas d’une cellule solaire plus traditionnelle, votre objectif ultime est de convertir la lumière du soleil en énergie électrique. Les systèmes que nous développons utilisent l’énergie solaire pour alimenter des transformations chimiques énergétiquement ascendantes », explique Moore. Au lieu de produire de l’électricité, la lumière solaire incidente conduit à des réactions chimiques catalysées, générant finalement des carburants.
« Ici, les carburants que nous décrivons ne sont pas liés à des sources de carbone fossiles. Nous pouvons développer une chimie sans carbone, y compris la transformation de l’eau en hydrogène gazeux, qui pourrait servir de carburant, ou nous pouvons utiliser du CO2 de l’atmosphère pour générer des carburants contenant du carbone », explique Moore. « Dans ce dernier exemple, bien que les carburants résultants soient à base de carbone, aucune nouvelle source de CO2 sont libérés dans l’atmosphère. Le processus est une forme de recyclage du carbone.
Moore se réfère à ces technologies comme photoélectrosynthétique. Bien qu’ils soient prometteurs pour la production d’énergie propre et la génération plus propre de produits industriels utiles, la compréhension de la chimie à la fois au niveau théorique et pratique est difficile. Les photons de lumière et de porteurs de charge utilisés pour relancer la catalyse sont des entités quantiques, avec des propriétés particulièrement subtiles que les chercheurs ont encore du mal à modéliser avec précision.
La production de technologies efficaces pour relever les futurs défis énergétiques nécessitera une compréhension mathématique plus approfondie de la dynamique de récupération de la lumière ainsi que des processus catalytiques et du mouvement des charges. La présente étude constitue un pas en avant dans cette direction.
Parallèlement à ces avancées, les chercheurs en science des matériaux devront concevoir des matériaux plus aptes à exploiter ces procédés, fabriqués à partir de matériaux durables et abordables.
De nouveaux chemins à travers le labyrinthe énergétique
En plus des obstacles purement scientifiques à surmonter, Moore déclare que les changements de politique publique seront des moteurs essentiels si les technologies énergétiques plus vertes doivent réussir. « Il est intimidant de rivaliser avec une technologie existante qui consiste simplement à percer un trou dans le sol pour extraire une source d’énergie déjà présente », déclare Moore. Un public instruit scientifiquement, capable de faire des choix de vote éclairés qui ont un impact sur la façon dont la société investit dans les futures infrastructures sera également vital. « Voulons-nous choisir d’investir dans des technologies qui minimisent l’impact du changement climatique, ou continuons-nous à utiliser une infrastructure énergétique avec des composants et des processus vieux de plus de cent ans ?
Moore espère que les progrès des technologies enzymatiques, électrocatalytiques et photoélectrosynthétiques joueront un rôle important dans un avenir énergétique plus durable et moins destructeur.
Référence : « Parallels between enzyme catalysis, electrocatalysis, and photoelectrolysis » par Daiki Nishiori, Brian L. Wadsworth et Gary F. Moore, 14 octobre 2021, Catalyse chimique.
DOI : 10.1016/j.checat.2021.09.008
