Potentiellement producteur de carbone

L'Université de Hong-Kong

image : Structure du système de nanomicelles chromatophores sphériques artificiels et étude de son mécanisme. Image adaptée de Nature Catalysis, 2023, doi : 10.1038/s41929-023-00962-zVoir plus

Crédit : Université de Hong Kong

Convertir l'énergie solaire en carburants neutres en carbone est une approche prometteuse pour réduire notre dépendance aux énergies fossiles et lutter contre le changement climatique. Prenant des exemples tirés de la nature, les plantes et autres organismes photosynthétiques utilisent la lumière du soleil pour créer des composés riches en énergie à partir d'eau et de dioxyde de carbone (CO2) grâce à un processus biochimique complexe qui se déroule dans des structures spécialisées appelées chloroplastes. Cependant, l'efficacité de ce processus naturel est limitée par la voie métabolique qui a une faible efficacité réfléchissante pour convertir la lumière du soleil en énergie utile. Bien que les cycles photocatalytiques artificiels aient démontré des efficacités intrinsèques plus élevées, ils reposent généralement sur du CO2 pur ou hautement concentré et sur des milieux organiques pour empêcher la dégradation du catalyseur causée par l'eau ou les protons.

Des équipes de recherche dirigées par le professeur David Lee PHILLIPS du département de chimie de l'Université de Hong Kong (HKU), le professeur Lili DU de l'Université de Jiangsu (HKU PhD Alumna), le professeur Ruquan YE de la City University de Hong Kong et le professeur Jia TIAN de l'Institut de chimie organique de Shanghai a mis au point un système remarquable et respectueux de l'environnement qui peut exploiter efficacement l'énergie lumineuse pour le processus photocatalytique. Ce système artificiel est hautement stable et recyclable, et il ne repose pas sur des métaux précieux, ce qui le rend plus économiquement viable et durable. Les résultats de la recherche ont récemment été publiés en ligne dans la revue scientifique de premier plan Nature Catalysis.

Contexte et réalisation Dans la nature, les organismes utilisent un processus appelé « auto-assemblage hiérarchique » pour optimiser la récolte de lumière. Au cours du processus, ils organisent les composants photocatalytiques dans un environnement sur mesure fourni par des échafaudages à base de lipides ou de protéines. En atteignant une stabilité, une sélectivité et une efficacité élevées, la photosynthèse repose sur la surface élevée et le contrôle spatial précis des molécules chromophores et des centres catalytiques par auto-assemblage, ce qui offre un principe de conception pour des systèmes photocatalytiques artificiels hautement efficaces.

Des études récentes ont démontré l'utilisation de vésicules et de micelles formées par co-assemblage de lipides naturels ou de tensioactifs synthétiques avec des espèces photocatalytiques. Ces structures agissent comme des micro-réacteurs, mimant l'environnement des membranes cellulaires. Cependant, la réplication des super complexes de collecte de lumière naturelle via des voies synthétiques est difficile à mettre en œuvre et loin d'être rentable.

Avec une pleine appréciation des efforts et des défis actuels, l'équipe de HKU et ses collaborateurs ont conçu un système de nanomicelles chromatophores sphériques artificiels à auto-assemblage dans l'eau inspiré de l'appareil photosynthétique de Rhodobacter sphaeroides, un type de bactérie que l'on trouve couramment dans le sol et l'eau douce, qui a une structure spéciale appelée « chromatophore sphérique captant la lumière ». Cette structure agit comme un capteur de lumière et possède une capacité remarquable à transférer efficacement l'énergie de la lumière solaire via un effet unique appelé «l'effet d'antenne sphérique», créé par des arrangements circulaires de molécules spécifiques à la surface du chromatophore. Cela permet aux bactéries de capter et d'utiliser efficacement la lumière du soleil pour leurs besoins énergétiques.

Ce système artificiel imite le chromatophore sphérique de collecte de lumière de la bactérie et se compose de minuscules structures sphériques appelées nanomicelles qui sont auto-assemblées dans des solutions aqueuses. Ces nanomicelles servent de blocs de construction du système. Le système utilise des molécules modifiées et des composés absorbant la lumière connus sous le nom d'« amphiphiles porphyrine Zn améliorés par un lieur aramide », qui interagissent avec un catalyseur Co par le biais de forces électrostatiques, conduisant à un assemblage hiérarchique unique. Par conséquent, cet assemblage est induit par «l'effet d'antenne sphérique» et améliore le système pour capturer et allumer l'énergie pour les processus photocatalytiques.

L'auto-assemblage hiérarchique du système offre une stratégie ascendante prometteuse pour créer un système photocatalytique artificiel contrôlé avec précision avec une stabilité et une efficacité élevées basé sur des éléments bon marché et abondants sur Terre plutôt que sur des métaux précieux coûteux.

Le professeur David Phillips a déclaré : « Notre recherche a le potentiel de faire progresser les énergies renouvelables en reproduisant les mécanismes efficaces de collecte de la lumière de la nature. Cela pourrait conduire à des solutions durables pour nos besoins énergétiques et à la production de carburants neutres en carbone, contribuant à un avenir plus vert.

Le professeur Lili Du a déclaré : « Le système artificiel auto-assemblé est une étape importante vers la libération du plein potentiel de la conversion de l'énergie solaire. L'amélioration de l'efficacité et de la stabilité photocatalytiques peut surmonter les limites et créer un paysage énergétique plus propre et plus durable. Cette recherche offre des applications pratiques prometteuses. dans la production de carburant, la capture du carbone et l'assainissement de l'environnement. »

À propos du professeur David Lee PhillipsLe professeur David Lee Phillips est professeur titulaire au département de chimie de HKU. En tant que chimiste de renommée internationale, il utilise des expériences de spectroscopie résolue en temps et des calculs de mécanique quantique pour étudier les intermédiaires à courte durée de vie dans les réactions chimiques d'intérêt en chimie, biologie et environnement. Il a publié plus de 400 articles dans des revues scientifiques à comité de lecture international répertoriés dans Science Citation Index. Il siège au comité consultatif de rédaction de la revue Molecules ainsi qu'au comité consultatif du Journal of Physical Organic Chemistry. Le professeur Phillips est titulaire d'un BSc de l'Iowa State University et d'un doctorat de l'Université de Californie à Irvine. Plus d'informations sur son groupe de recherche : https://sites.google.com/view/dlplab/home?pli=1

À propos de l'équipe de recherche Le professeur Jia Tian de l'Institut de chimie organique de Shanghai, le professeur Lili Du de l'Université de Jiangsu, le professeur David Lee Phillips de l'Université de Hong Kong et le professeur adjoint Ruquan Ye de la City University de Hong Kong sont les auteurs co-correspondants. M. Junlai Yu et Libei Huang du groupe du professeur Tian sont les co-premiers auteurs. Professeur Ian Manners de l'Université de Victoria et d'autres chercheurs (dont Qingxuan Tang, Shang-Bo Yu, Qiao-Yan Qi, Jiangshan Zhang, Danying Ma, Yifei Lei, Jianjun Su, Yun Song, Jean-Charles Eloi, Robert L. Harniman , Ufuk Borucu, Long Zhang, Minghui Zhu, Feng Tian) de l'Institut de chimie organique de Shanghai et de l'Université de Victoria contribuent à ce projet.

Titre de la revue : 'Artificial spherical chromatophore nanomicelles for selective CO2 reduction in water' (Nature Catalysis, 2023) télécharger et sous-titrer : https://www.scifac.hku.hk/pressPour les demandes des médias, veuillez contacter Mme Casey To, responsable des relations extérieures (Tél : 3917-4948 ; e-mail : [email protected]) et Mme Cindy Chan, assistante Directrice des communications de la Faculté des sciences (Tél : 3917-5286 ; courriel : [email protected]).

Catalyse naturelle

10.1038/s41929-023-00962-z

Étude expérimentale

N'est pas applicable

Nanomicelles chromatophores sphériques artificielles pour la réduction sélective du CO2 dans l'eau

18-mai-2023

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