Des chercheurs ont mis au point un concept efficace pour transformer le dioxyde de carbone en carburants propres et durables, sans sous-produits ni déchets indésirables.
Les chercheurs, de l’Université de Cambridge, ont déjà montré que les catalyseurs biologiques, ou enzymes, peuvent produire des carburants propres en utilisant des sources d’énergie renouvelables, mais avec un faible rendement.
“Au lieu de capturer et de stocker le CO2, ce qui est incroyablement énergivore, nous avons démontré un nouveau concept pour capturer le carbone et en faire quelque chose d’utile de manière économe en énergie.” – Erwin Reisner
Leurs dernières recherches ont permis de multiplier par 18 l’efficacité de la production de carburant en laboratoire, démontrant ainsi que les émissions de carbone polluantes peuvent être transformées en carburants verts de manière efficace, sans aucune perte d’énergie. Les résultats sont rapportés dans deux articles connexes dans Nature Chemistry et Actes de l’Académie nationale des sciences.
La plupart des méthodes de conversion du CO2 en carburant produisent également des sous-produits indésirables tels que l’hydrogène. Les scientifiques peuvent modifier les conditions chimiques pour minimiser la production d’hydrogène, mais cela réduit également le rendement de la conversion du CO2 : il est donc possible de produire un carburant plus propre, mais au prix d’un manque d’efficacité.
La preuve de concept développée à Cambridge repose sur des enzymes isolées de bactéries pour alimenter les réactions chimiques qui convertissent le CO2 en carburant, un processus appelé électrolyse. Les enzymes sont plus efficaces que d’autres catalyseurs, comme l’or, mais elles sont très sensibles à leur environnement chimique local. Si l’environnement local n’est pas exactement le bon, les enzymes se désagrègent et les réactions chimiques sont lentes.
Les chercheurs de Cambridge, en collaboration avec une équipe de l’Universidade Nova de Lisboa au Portugal, ont mis au point une méthode pour améliorer l’efficacité de l’électrolyse en ajustant les conditions de la solution pour modifier l’environnement local des enzymes.
“Les enzymes ont évolué pendant des millions d’années pour devenir extrêmement efficaces et sélectives, et elles sont parfaites pour la production de carburant car il n’y a pas de sous-produits indésirables”, a déclaré le Dr Esther Edwardes Moore du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, premier auteur de l’étude. PNAS PNAS . “Cependant, la sensibilité des enzymes pose une série de problèmes différents. Notre méthode tient compte de cette sensibilité, de sorte que l’environnement local est ajusté pour correspondre aux conditions de travail idéales de l’enzyme.”
Les chercheurs ont utilisé des méthodes de calcul pour concevoir un système permettant d’améliorer l’électrolyse du CO2. En utilisant le système à base d’enzymes, le niveau de production de carburant a été multiplié par 18 par rapport à la solution de référence actuelle.
Pour améliorer encore l’environnement local, l’équipe a montré comment deux enzymes peuvent travailler ensemble, l’une produisant du carburant et l’autre contrôlant l’environnement. Ils ont constaté que l’ajout d’une autre enzyme accélère les réactions, ce qui augmente l’efficacité et réduit les sous-produits indésirables.
“Nous nous sommes retrouvés avec exactement le carburant que nous voulions, sans produits secondaires et avec des pertes d’énergie marginales, produisant des carburants propres avec une efficacité maximale”, a déclaré le Dr Sam Cobb, premier auteur de l’étude. Nature Chemistryarticle. “En nous inspirant de la biologie, cela nous aidera à développer de meilleurs systèmes de catalyseurs synthétiques, ce dont nous aurons besoin si nous voulons déployer l’électrolyse du CO2 à grande échelle.”
“L’électrolyse a un grand rôle à jouer dans la réduction des émissions de carbone”, a déclaré le professeur Erwin Reisner, qui a dirigé les recherches. “Au lieu de capturer et de stocker le CO2, ce qui est incroyablement énergivore, nous avons démontré un nouveau concept pour capturer le carbone et en faire quelque chose d’utile de manière économe en énergie.”
Selon les chercheurs, le secret d’une électrolyse du CO2 plus efficace réside dans les catalyseurs. Le développement de catalyseurs synthétiques a connu de grandes améliorations ces dernières années, mais ils sont encore loin des enzymes utilisées dans ce travail.
“Une fois que vous parvenez à fabriquer de meilleurs catalyseurs, bon nombre des problèmes liés à l’électrolyse du CO2 disparaissent tout simplement”, a déclaré M. Cobb. “Nous montrons à la communauté scientifique qu’une fois que nous serons en mesure de produire les catalyseurs du futur, nous pourrons nous passer de bon nombre des compromis actuellement faits, puisque ce que nous apprenons des enzymes peut être transféré aux catalyseurs synthétiques.”
“Une fois que nous avons conçu le concept, l’amélioration des performances a été étonnante”, a déclaré Edwardes Moore. “Je craignais que nous ne passions des années à essayer de comprendre ce qui se passait au niveau moléculaire, mais une fois que nous avons vraiment apprécié l’influence de…l’environnement local, il a évolué très rapidement.”
“À l’avenir, nous voulons utiliser ce que nous avons appris pour nous attaquer à certains problèmes difficiles que les catalyseurs de pointe actuels ont du mal à résoudre, comme l’utilisation du CO2 directement à partir de l’air, car ce sont des conditions où les propriétés des enzymes en tant que catalyseurs idéaux peuvent vraiment briller”, a déclaré Cobb.
Références :
“La production rapide de CO2 La cinétique de l’hydratation nuit à l’hétérogénéité, mais améliore les processus enzymatiques de production de CO2 reduction catalysis” par Samuel J. Cobb, Vivek M. Badiani, Azim M. Dharani, Andreas Wagner, Sónia Zacarias, Ana Rita Oliveira, Inês A. C. Pereira et Erwin Reisner, 28 février 2022, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-021-00880-2
“Understanding the local chemical environment of bioelectrocatalysis” par Esther Edwardes Moore, Samuel J. Cobb, Ana Margarida Coito, Ana Rita Oliveira, Inês A. C. Pereira et Erwin Reisner, 20 janvier 2022,Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2114097119
Erwin Reisner est membre du St John’s College, Cambridge. Sam Cobb est chargé de recherche au Darwin College, à Cambridge. Esther Edwardes Moore a obtenu son doctorat au Corpus Christi College, Cambridge. Ces recherches ont été soutenues en partie par le Conseil européen de la recherche, le Leverhulme Trust et le Engineering and Physical Sciences Research Council.
