Le chloroplaste, un organite à double membrane, est le principal site de fixation du CO2 par photosynthèse chez les plantes vertes. La configuration à double membrane peut réguler le transport de substances à l’intérieur et à l’extérieur des chloroplastes à l’aide d’unités fonctionnelles telles que la bicouche lipidique et les protéines transmembranaires.
Inspirés par la structure ingénieuse et la fonctionnalité des chloroplastes, le professeur Xu Zong de l’Université maritime de Dalian, le professeur Chenghua Sun de l’Université de technologie de Swinburne et le professeur Lianzhou Wang de l’Université du Queensland ont récemment rapporté la construction d’un nanoréacteur catalytique capable de réaliser une réduction hautement sélective et efficace du CO2 en CO en imitant les chloroplastes des plantes vertes.
Ce travail apparaît dans Bulletin scientifique sous la forme d’une courte communication intitulée « Nanoréacteur imitant les chloroplastes pour une électrocatalyse améliorée du CO2 ».
Dans cette étude, le nanoréacteur imitant le chloroplaste (CMNR) est facilement obtenu grâce à l’auto-assemblage d’une bicouche de bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) sur la surface d’un électrocatalyseur à nanobâtonnets d’or (GNR) pour former une structure cœur-coquille.
La structure et la disposition des molécules CTAB à la surface du GNR ont été étudiées à l’aide de techniques expérimentales et théoriques, telles que l’imagerie atomique par transmission à balayage en champ sombre annulaire à grand angle, la spectroscopie de photoélectrons X à résolution angulaire et la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), et la disposition bicouche des molécules CTAB à la surface du GNR a été découverte.
De plus, des recherches théoriques et expérimentales approfondies ont montré que l’unité polarisée -N(CH3)3 de CTAB peut capturer efficacement le CO2 de la solution et que les canaux organiques formés par les chaînes organiques hydrophobes favorisent la diffusion du CO2 vers le GNR. Par conséquent, la bicouche CTAB peut imiter la membrane chloroplastique pour permettre un transport hautement sélectif des molécules de CO2 au lieu des protons vers le GNR.
De plus, la spectroscopie de photoélectrons à rayons X et la spectroscopie infrarouge électrochimique in situ ont révélé que les ions brome favorisent l’oxydation partielle du GNR, ce qui stabilisera efficacement l’intermédiaire COOH* pour l’électroréduction du CO2 et favorisera davantage les performances d’électroréduction du CO2.
En résumé, les auteurs ont présenté la mise en place d’un nanoréacteur imitant le chloroplaste en modifiant la surface d’un électrocatalyseur GNR avec une bicouche CTAB auto-assemblée. La bicouche CTAB imite la membrane du chloroplaste pour permettre la régulation simultanée du transport du CO2 et des protons vers le noyau GNR, et le noyau GNR imite les enzymes Rubisco pour catalyser la réaction de réduction du CO2.
En conséquence, la sélectivité de la réduction du CO2 en CO a été grandement améliorée. Ce travail présente une nouvelle conception biomimétique pour relever les défis impliqués dans la réaction de réduction du CO2, qui pourrait être applicable à une large gamme de réactions électrocatalytiques comme la réaction de réduction de l’oxygène et la réaction de réduction de l’azote.
Plus d’informations :
Weiguang Ma et al, Nanoréacteur imitant le chloroplaste pour une électrocatalyse au CO2 améliorée, Bulletin scientifique (2024). DOI : 10.1016/j.scib.2024.07.041