Photosynthèse artificielle

La photosynthèse[1] existe chez les végétaux chlorophylliens et chez certaines bactéries (cyanophycées). Elle consiste en une suite de réactions biochimiques provoquées par la lumière comme source d'énergie qui font intervenir des molécules minérales simples (CO₂, H₂O…) et qui entrainent la production de molécules organiques glucidiques de masse molaire relativement faible. Certaines de ces molécules sont polymérisées en glucides de masse molaire élevée (amidon pour le stockage, saccharose pour le transport dans d'autres cellules), d’autres enfin s’unissent à des molécules azotées.
Le phénomène est caractérisé par une absorption de dioxyde de carbone et par un dégagement d’oxygène en présence de lumière (ou éventuellement de manière retardée dans le cas des cactées).

On parle parfois de photosynthèse dans d'autres domaines, comme les panneaux photovoltaïques.

La photosynthèse permet aux organismes qui la pratiquent (végétaux, cyanobactéries, lichens) de stocker de l’énergie d'origine solaire, principalement sous forme de sucres et d'amidon en général, pour répondre aux besoins présents et futurs de l'organisme[2]. Les organismes qui pratiquent la photosynthèse sont autotrophes[3]. Ils peuvent ainsi synthétiser des matières organiques (notamment des protéines) à partir de matières inorganiques et du rayonnement solaire.

Quelques animaux ont, au cours de l'évolution, appris à utiliser indirectement le mécanisme de la photosynthèse, via des endosymbioses. C'est notamment le cas des coraux, de quelques vers plats, de l'éponge d'eau douce Spongilla lacustris, de la Salamandre maculée (seul vertébré connu à ce jour (2011) qui ait put établir une symbiose avec une algue, en l'occurrence Oophila amblystomatis) et de la limace de mer Elysia chlorotica (premier animal découvert capable d'utiliser la photosynthèse autrement que par symbiose avec une algue ; cette photosynthèse est effectuée par les chloroplastes de sa principale source de nourriture, l'algue Vaucheria litorea). À l'échelle planétaire, les algues et principalement le phytoplancton marin produisent le plus d’oxygène, suivis des forêts. Un domaine de recherche appliquée, la biomimétique, s'inspire de la nature pour développer des photosynthèses artificielles.

Photosynthèse

La plante capte le dioxyde de carbone (CO₂) présent dans l’air et l’eau (H₂O) dans le sol. L’énergie solaire est utilisée pour oxyder l’eau et réduire le gaz carbonique afin de synthétiser des substances organiques (glucides). Cette transformation se déroule dans les chloroplastes (organites cellulaire) qui contiennent la chlorophylle, pigment qui assure l’absorption d’une partie de l’énergie des rayons solaires qui rendent la photosynthèse possible. La photosynthèse a lieu au niveau des membranes thylakoïdes, une double membrane pigmentée qui se trouve à l’intérieur du chloroplaste chez les eucaryotes. C’est dans les thylakoïdes qu’a lieu la réaction lumineuse de la photosynthèse, là où se situent les photosystèmes 1 et 2 (Les photosystèmes interviennent dans les mécanismes de la photosynthèse en absorbant les photons de la lumière) et les cytochromes, protéine coloré qui transportent les électrons. Après plusieurs réactions chimiques entre l’énergie solaire, le CO₂ et l’H₂O, du dioxygène (O₂) et du sucre sont produits. L'O2 est ensuite libéré dans l’atmosphère, et le sucre (généralement sous forme d'amidon) est stocké dans les fruits ou reste dans la feuille pour être transféré sous forme de saccharose dans la sève élaborée circulant dans les vaisseaux du phloème.

La phase claire[4] est un ensemble de réactions photochimiques (le principe est de capter l’énergie lumineuse des photons et de la transmettre, via des électrons chargés de cette énergie, à une chaîne d’accepteur d’électrons (molécules ayant des potentiels d’oxydoréduction variables), qui dépendent de la lumière, et au cours desquelles les électrons sont transportés à travers les deux photosystèmes (PSI et PSII), ce qui permet de produire de l’ATP, molécule riche en énergie et du NADPH,H⁺ (potentiel réducteur). l'ATP est synthétisé par la pompe ATP-synthase qui exploite le gradient protonique créé au cours de la réaction entre le lumen du thylakoïde et le stroma du chloroplaste. La phase claire permet donc directement la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique, énergie qui sera forcément utilisée dans la phase sombre. La phase sombre correspond au cycle de Calvin, entièrement enzymatique et indépendant de la lumière, au cours duquel l’ATP et le NADPH,H⁺ produits sont utilisés pour la fixation du dioxyde de carbone en glucide. L’assimilation du CO₂ se fait en quatre étapes principales dont les trois premières se déroulent au sein du cycle de Calvin :

• fixation du CO₂ (carboxylation) par la Rubisco ;
• réduction du carbone fixé ;
• régénération de l’accepteur de CO₂ ;
• synthèse des sucres.

Le total d’énergie capté par la photosynthèse (à l’échelle planétaire) est approximativement de 100 térawatts (1 térawatt = 1 000 000 000 kW), il est environ de 10 fois plus élevé que la consommation énergétique mondiale sur un an.

Pour donner un ordre de grandeur, un peu moins du millième de l’insolation reçue par la Terre est capté par la photosynthèse et fournit toute l’énergie de la biosphère (l’énergie solaire reçu par la terre étant de 1,5 10¹⁸ kWh par an).

Il existe plusieurs types de photosynthèses artificielles, tous à l’état de recherche ou de prototype. Une équipe du National Renewable Energy Laboratory rapporte en 1998 avoir créé un dispositif permettant de dissocier l'oxygène et l'hydrogène de l'eau à partir d'énergie solaire[5]. Mais ce dispositif s’est révélé instable et trop cher[6]^,[7]. En 2007, une équipe de l’université de Kyoto annonce quant à elle avoir inventé un procédé capable de capter le CO₂ atmosphérique 300 fois plus efficacement que les plantes. Néanmoins la feuille artificielle (2011), le projet de Daniel Nocera [8], ancien chercheur au MIT (Massachusetts Institute of Technology) est le plus abouti technologiquement (Il est le fruit de 25 années d’études et est en voie de commercialisation) et est représentatif du principe général qui est d’oxyder l’eau pour produire de l’oxygène et du dihydrogène. Les projets concurrents utilisent des matériaux différents pour provoquer cette réaction[9].

En 2010, des chercheurs du département de chimie de l'Université de Göteborg, en collaboration avec des équipes de l'École polytechnique Chalmers et d’autres universités européennes, ont observé grâce aux puissants rayons X de l'European Synchrotron Radiation Facility, les mouvements des atomes au sein de protéines engagées dans un processus de photosynthèse. L'expérience qui a fourni des informations en trois dimensions sur des mouvements de l’ordre de 1,3 angström de molécules, pourrait servir à créer des dispositifs faisant de la photosynthèse artificielle afin de produire l’énergie du futur à partir de la lumière du Soleil[10].

Une équipe franco-allemande de l'Institut Max Planck et une unité de recherche du CNRS ont construit en 2020 un chloroplaste artificiel qui convertit le CO2 cent fois plus vite que les précédentes constructions semi-synthétiques.[11].

La feuille artificielle est composée d’un assemblage de fines couches de différents métaux[12] qui catalysent l’oxydation de l’eau une fois plongé dedans et exposé au soleil. Elle oxyde l’eau, comme dans la photosynthèse naturelle, et réassemble les atomes qui la composent de façon différente. Ces nouvelles molécules pourront être utilisées pour produire de l’énergie.

Feuille artificielle

Comme dit précédemment, la feuille artificielle permet de reproduire l’oxydation de l’eau, puis d’utiliser les atomes et molécules obtenus pour en former de nouveaux. L’équation chimique de cette réaction est : 2 H₂O ⇒ O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻⇒ O₂ + 2 H₂

Les produits de la photosynthèse artificielle sont donc du dioxygène et du dihydrogène.

La feuille artificielle est composée de différents métaux catalyseurs :

• Cobalt : catalyse l’oxydation de l’eau
• Silicium : collecte les rayons lumineux (il est utilisé pour les panneaux photovoltaïques)
• Alliage (nickel, molybdène, zinc) : ressoude les électrons et les ions H⁺

Le silicium collecte l’énergie lumineuse, ce qui permet à l’eau de s’oxyder au contact du cobalt (l’oxydation est échange d’électrons) : 2 H₂O ⇒ O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻

Le dioxygène obtenu est sous forme de gaz (de bulles), il s’échappe donc du milieu. Le silicium recueille les électrons qui proviennent des atomes d’hydrogène et les envoie vers l’alliage tandis que les ions H⁺ se retrouvent dans l’eau. L’alliage permet ensuite d’assembler les ions H⁺ et les électrons : O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻⇒ O₂ + 2 H₂

À la fin, nous obtenons donc du dioxygène et du dihydrogène, tous deux à l’état gazeux.

Ce type de production d'énergie se fait en consommant du CO2, donc en luttant contre le réchauffement climatique [13].

Une feuille artificielle du type de celle de Daniel Nocera, contrairement aux autres technologies qui produisent de l’énergie à partir d’eau et d’électricité, ne nécessite pas un milieu très acide ni de l'eau très pure pour fonctionner. Elle fonctionne dans de l’eau à ph neutre, voire dans l’eau de mer. Et les éléments du catalyseur s’autoassemblent si on leur fournit un peu d’énergie sous forme d’électricité. Et si le bain dans lequel est plongée la feuille artificielle contient les éléments nécessaires, les catalyseurs se régénèreront seuls au fur et à mesure de leur consommation. La dernière version de la feuille artificielle utilise des matériaux peu chers et communs (alors que les versions précédentes utilisaient du platine, de l’iridium ou du ruthénium rares et toxiques)^{[réf. nécessaire]}.

La feuille artificielle, tout comme la feuille naturelle ne produit pas directement d’énergie, mais du dioxygène et du dihydrogène. Ces deux gaz peuvent ensuite être brûlé ou utilisé pour faire fonctionner une pile à combustible, et donc produire de l’électricité.

La feuille artificielle n’est pas encore compétitive : aujourd'hui, produire 1 kg d’hydrogène à partir d’une feuille artificielle coûte entre 5 et 6 €. Mais produire la même quantité d’hydrogène à partir de méthane revient seulement à 2 €. Et la quantité d’électricité produite par rapport à la quantité d’énergie solaire reçue n’atteint que 2,5 % pour la feuille artificielle contre 15 à 20 % pour un panneau photovoltaïque. Les laboratoires de l’école polytechnique de Stockholm ont atteint un rendement de 300 molécules par seconde, comparable à celui des végétaux (100 à 400 molécules par seconde)[14].

Selon Daniel Nocera, néanmoins une première centrale électrique, de la taille d’un réfrigérateur, suffisante pour produire de l’énergie en quantité, aurait pu voir le jour dès 2013, avec un usage domestique plausible mais en consommant de l'eau : une seule feuille immergée dans 4 litres d’eau suffirait à alimenter une maison en électricité pendant une journée. Il cherche à améliorer son système pour produire de l’hydrogène à 2,5 € le kilo, de manière à le rendre intéressant pour les pays pauvres ou en voie de développement.

Le dioxygène ou encore molécule d'oxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène de formule chimique O₂. Incolore, inodore et insipide, il participe à des réactions d'oxydo-réduction, essentiellement à la combustion et la corrosion. Il a été découvert en 1774 par Joseph Priestley, et baptisé oxygène par Lavoisier en 1778. Le dihydrogène[15] aussi appelé molécule d’hydrogène existe à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température. Cette molécule est composée de deux atomes d'hydrogène et est de formule chimique H₂. Elle est présente sous forme de traces (0,5 ppmv) dans l’atmosphère. Elle brûle dans l'air en produisant de l'eau, d'où son nom composé étymologiquement par « hydro », du grec ὕδωρ (hudôr) signifiant « eau », et « gène », du grec γεννᾰν (gennen), « engendrer ». Le dihydrogène a un potentiel énergétique inégalable (120 kJ/g contre 50 pour le gaz naturel[16].

L’hydrogène ayant été découvert il y a 300 ans de nombreux moyens d’en tirer de l’énergie ont été élaborés au cours des siècles tels que le voltamètre de Hoffman ou le moteur à hydrogène qui utilise le principe de la combustion du dihydrogène (H₂) et du dioxygène (O₂) pour laisser comme produit de l'eau (H₂O) et de l'énergie (l'énergie dégagée par la combustion de 1 kilogramme d'hydrogène équivaut à celle de 3 kilogrammes d'essence). Il s'agit d'une réaction explosive qui actionne un piston de la même manière qu'avec l'essence ou le gazole. La réaction chimique est la suivante : 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O + Q (Q : quantité d'énergie libérée)

Pile à combustible

Le plus récent est la pile à combustible [17]^,[18]^,[19] c’est aussi le plus performant. Le principe de la pile à combustible est l’inverse de l’électrolyse. La pile à combustible est constituée d’une anode et d’une cathode séparées par un électrolyte, un matériau non conducteur. L’anode est chargée en hydrogène ce qui signifie que projetée sur l’anode, le dihydrogène se sépare en deux molécules d’hydrogène en libérant un électron. Cet électron qui ne peut pas traverser l’électrolyte passe par l’anode conductrice, fournit de l’énergie au système branché sur la pile à combustible et passe par la cathode. La cathode est chargée en molécules de dioxygène. L’électron, l’atome d’hydrogène et l’atome oxygène se recomposent en formant de l’eau (H₂O donc un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène). On récupère donc de l’eau et de l’énergie sous forme de tension électrique d'environ 0,7 à 0,8 volt et de la chaleur (la température de fonctionnement varie de 60 à 200 °C selon les modèles)

Le rendement de la pile à combustible est actuellement supérieur à 50 % (par comparaison un moteur thermique d'automobile a un rendement qui varie entre 25 % et 30 %) ce qui signifie que l’énergie nécessaire à la production de l’hydrogène et l’oxygène (l’objectif étant que cette énergie soit fournie par le soleil) est récupérée à 50 %. Les 50 % restant sont dissipés en chaleur. Si l’on adjoint à la pile à combustible un système de récupération de chaleur (pour chauffer de l’eau par exemple), le rendement augmente jusqu’à 80 % voire 90 %.

La pile à combustible ne présente pas de danger en elle-même mais ses réactifs, en particulier l’hydrogène, ont une forte capacité à entrer en combustion. Ainsi, pour l’hydrogène 20 microjoules sont suffisants, et sa concentration dans l'air peut la faire brûler ou exploser. Au-delà de 12 % de concentration dans l’air, la détonation génère 20 bars de pression et propage une flamme à 2 000 m/s. Malgré la dispersion rapide de l'hydrogène dans l'air, le risque d’explosion dans un milieu fermé est important ce qui explique les recherches engagées pour trouver un moyen de stocker l'hydrogène sans risque. Les deux techniques de stockage actuelles sont le refroidissement (-273°) et la compression (>200 bars) mais ne sont pas satisfaisantes en raison de leur consommation d'énergie et de leur sensibilité aux fuites. C’est pourquoi le stockage par solidification sous forme d’hydrures est privilégié (un hydrure est un composé chimique de l’hydrogène avec d’autres éléments par exemple le métal qui se présente comme une éponge). L’hydrogène ainsi stockée se présente sous forme de galette métallique solide ininflammable. Le processus est parfaitement réversible et les différents composés métalliques n’ont pas d’effet mémoire et peuvent resservir indéfiniment.

• Photosynthèse

• Aditya Prajapati, Meenesh R. Singh. Assessment of Artificial Photosynthetic Systems for Integrated Carbon Capture and Conversion. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019; DOI: 10.1021/acssuschemeng.8b04969

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