De la lumière solaire aux carburants : le professeur Ong Wee Jun à la tête de l’essor de la photosynthèse artificielle en Malaisie

Une question d’enfant devient une mission nationale dans le domaine de l’énergie

Alors qu’il était en CM1 et étudiait la photosynthèse, Ong Wee Jun s’est posé une question simple : pouvait-on exploiter la lumière du soleil comme le font les plantes pour alimenter la vie moderne ? Cette curiosité est devenue le fil conducteur de sa carrière. Aujourd’hui, ce scientifique malaisien s’appuie sur les nanosciences et la catalyse pour appliquer ce même principe et stocker l’énergie solaire dans les liaisons de combustibles propres.

Le professeur Ong est doyen adjoint à l’Université Xiamen en Malaisie et directeur fondateur du Centre d’excellence pour les technologies des nanomatériaux énergétiques et de la catalyse, connu sous le nom de CONNECT. Avec son équipe, il conçoit des feuilles artificielles qui reproduisent les étapes essentielles de la photosynthèse. Leurs dispositifs utilisent des nanomatériaux élaborés plutôt que de la chlorophylle pour produire des molécules à forte teneur énergétique.

CONNECT étudie la production d’hydrogène à partir d’eau, la conversion du CO2 en méthanol et en d’autres produits chimiques, ainsi que la transformation des déchets plastiques en carburants. À long terme, le projet prévoit des fermes modulaires de production d’hydrogène à l’énergie solaire, capables d’alimenter les communautés rurales et de mettre les avancées scientifiques au service des besoins quotidiens.

Ce que fait concrètement la photosynthèse artificielle

La photosynthèse artificielle repose sur des matériaux qui absorbent la lumière et des catalyseurs pour convertir la lumière du soleil en énergie chimique. Le dispositif absorbe des photons, génère des charges mobiles et utilise ces charges pour scinder l’eau ou réduire le dioxyde de carbone. Il produit ainsi un carburant qui peut être stocké, transporté et utilisé lorsque le soleil ne brille pas.

Lors de la dissociation de l’eau, une réaction libère de l’oxygène et l’autre produit de l’hydrogène. Les semi-conducteurs fournissent l’énergie, tandis que les catalyseurs réduisent la barrière énergétique de chaque réaction. L’hydrogène peut servir de vecteur énergétique pour les piles à combustible et de matière première propre pour la production d’ammoniac, la sidérurgie et le raffinage.

La conversion du CO2 en carburants repose sur le même principe. Des catalyseurs adaptés orientent les électrons pour transformer le CO2 en monoxyde de carbone, en acide formique ou en méthanol. Les dispositifs peuvent prendre la forme de photocatalyseurs en poudre, de cellules photoélectrochimiques dotées d’électrodes absorbant la lumière ou de systèmes électrocatalytiques alimentés par de l’électricité renouvelable. L’objectif reste le même : un fonctionnement stable, une efficacité élevée et un coût raisonnable.

Des avancées de laboratoire aux projets concrets en Malaisie

CONNECT fait le lien entre la recherche et sa mise en œuvre grâce à des collaborations avec des entreprises et des organismes publics. En août 2024, l’Université Xiamen en Malaisie a annoncé que le professeur Ong avait obtenu une subvention de plus d’un million de ringgits malaisiens (RM) dans le cadre du programme PETRONAS Academia Collaboration Dialogue. Le projet vise à utiliser la photosynthèse artificielle alimentée par l’énergie solaire pour convertir en produits chimiques de valeur le CO2 issu du torchage dans les terminaux gaziers terrestres, s’attaquant ainsi directement à une source d’émissions industrielles.

Le programme PETRONAS a retenu 61 projets parmi 588 candidatures issues de 25 universités. Pour CONNECT, cette subvention vient renforcer un portefeuille de projets qui comprend un prototype de système solaire de production d’hydrogène, dont l’achèvement est prévu pour la mi-2026, des catalyseurs conçus pour limiter les gaz à effet de serre et des procédés transformant les déchets d’huile de palme en graphène et en hydrogène vert. Le fil conducteur est simple : faire passer des nanocatalyseurs prometteurs des essais contrôlés en laboratoire à des dispositifs robustes capables de fonctionner à ciel ouvert.

Le fonctionnement de ces catalyseurs

La photosynthèse artificielle repose sur trois piliers : des matériaux qui absorbent la lumière, des architectures qui maintiennent les charges séparées et des sites catalytiques qui accélèrent les réactions tout en les rendant sélectives. Les recherches de CONNECT développent ces trois piliers en combinant des matériaux bidimensionnels, des jonctions adaptées et des sites de surface à base d’éléments abondants dans la croûte terrestre.

Matériaux bidimensionnels et hétérostructures

Les matériaux bidimensionnels, des feuillets de carbone de type graphène aux dichalcogénures de métaux de transition, offrent des voies ultraminces aux charges. Empiler un feuillet 2D sur un autre crée une vaste interface, où les électrons et les trous se séparent efficacement. En choisissant des matériaux dont les niveaux d’énergie des bandes sont adaptés à la dissociation de l’eau ou à la réduction du CO2, ces hétérostructures 2D sur 2D améliorent l’efficacité sans dépendre d’éléments rares.

Circulation des charges selon les schémas Z et S

La photosynthèse naturelle mobilise deux étapes faisant intervenir la lumière, souvent représentées sous la forme d’un Z, pour produire des charges à haute énergie. Les dispositifs artificiels reprennent cette logique avec des architectures dites « Z-scheme » et « S-scheme ». Deux absorbeurs de lumière sont reliés de façon à ne conserver que les électrons réducteurs et les trous oxydants les plus puissants, tandis que les porteurs de charge moins actifs s’annulent mutuellement. La préservation des charges les plus actives améliore les réactions difficiles et contribue à limiter les réactions secondaires.

Carbures métalliques et matériaux MXene

Les carbures de métaux de transition, dont les MXenes, associent une conductivité élevée à des surfaces modulables. Ils peuvent servir d’absorbeurs de lumière ou de cocatalyseurs, c’est-à-dire d’auxiliaires de surface qui accélèrent les étapes clés et orientent la sélectivité. Les MXenes sont obtenus par gravure de précurseurs en couches afin de créer des feuillets conducteurs. Les groupes présents à leur surface, qui dépendent de la méthode de synthèse, influencent leur capacité à adsorber des molécules et à transporter des charges, deux aspects essentiels à une production stable et efficace de carburants solaires.

Transformer les déchets en ressources grâce à la lumière et à une chimie adaptée

Les plastiques sont pratiques, mais ils posent aussi un problème de gestion des déchets. Le recyclage ascendant photocatalytique et électrocatalytique s’attaque au problème par une chimie ciblée. Sous l’action de la lumière ou d’une énergie renouvelable, les catalyseurs peuvent briser les longues chaînes de polymères et les transformer en molécules utiles, telles que le formiate, l’acétate, des alcools ou de l’hydrogène. CONNECT applique aussi cette approche aux résidus agricoles. Le secteur malaisien de l’huile de palme produit des déchets riches en carbone qui peuvent être valorisés en graphène et en hydrogène vert. Le groupe fait état d’un brevet portant sur la production de graphène et d’hydrogène à partir de biométhane, illustrant la façon dont les flux de déchets peuvent devenir des matières premières pour les matériaux et l’énergie.

De l’hydrogène produit à partir d’eau, du laboratoire au terrain

Produire de l’hydrogène grâce à la lumière du soleil paraît simple, mais son intégration en extérieur est difficile. Un dispositif doit capter efficacement la lumière, scinder l’eau, maintenir l’hydrogène et l’oxygène séparés et résister pendant des mois à la chaleur, à la pluie et à la poussière. CONNECT construit un prototype de plus grande taille afin de le tester en conditions extérieures. L’objectif est de disposer d’ici à la mi-2026 d’un dispositif opérationnel de production d’hydrogène solaire combinant photocatalyse et photoélectrochimie.

Deux difficultés dominent généralement le passage à l’échelle. L’efficacité, mesurée par le rendement de conversion de l’énergie solaire en hydrogène, doit augmenter tandis que le coût des matériaux doit rester abordable. De nombreux experts considèrent qu’un rendement de 10 % constitue un seuil pratique, même si les coûts varient selon les sites. La durabilité est l’autre critère déterminant. Les catalyseurs peuvent se dégrader sous l’effet de l’oxygène et d’une lumière intense. L’eau de mer ajoute des ions chlorure, susceptibles de provoquer la corrosion et la formation de chlore. Les équipes s’attaquent à ces problèmes à l’aide de couches protectrices, de membranes sélectives et de conditions réactionnelles favorisant la production d’hydrogène et d’oxygène uniquement.

Les enjeux pour la Malaisie et la région

La Malaisie vise la neutralité carbone d’ici à 2050, ce qui nécessite de nouveaux carburants propres et une utilisation plus intelligente du carbone. La photosynthèse artificielle répond à plusieurs priorités nationales. L’hydrogène peut prendre le relais lorsque les énergies renouvelables ne produisent pas et réduire les émissions de l’industrie. La conversion du CO2 issu du torchage ou des flux de procédés en matières premières permet de valoriser un déchet. La valorisation des déchets plastiques et de la biomasse réduit la pression sur les décharges et le recours aux combustibles fossiles importés. Des unités modulaires de conversion de l’énergie solaire en carburant pourraient alimenter des écoles, des dispensaires et de petites entreprises dans les zones reculées où l’extension du réseau électrique est lente.

Collaboration, talents et outils numériques pour accélérer les progrès

CONNECT progresse grâce à ses partenariats avec PETRONAS Research et les programmes technologiques nationaux, ainsi qu’à la mise en commun de compétences en chimie, science des matériaux, ingénierie et science des données. La théorie de la fonctionnelle de la densité et l’apprentissage automatique aident à examiner des milliers de catalyseurs potentiels avant d’en fabriquer quelques-uns en laboratoire, ce qui permet de gagner du temps et de réduire les coûts. Le professeur Ong encadre un groupe grandissant de doctorants et de chercheurs postdoctoraux. Les distinctions telles que le titre de chercheur hautement cité et son classement parmi les 2 % des meilleurs scientifiques du monde témoignent de l’influence de ses travaux, mais l’objectif reste concret : concevoir des dispositifs produisant des carburants propres de manière fiable dans les conditions rencontrées en Malaisie.

Les défis qui restent à relever

La photosynthèse artificielle devrait probablement compléter, plutôt que remplacer, la production croissante d’hydrogène vert par électrolyse. Pour passer à l’échelle, il faut encore améliorer le rendement et la durabilité, réduire les coûts des équipements auxiliaires et concevoir des systèmes sûrs de manipulation des gaz. La conversion du CO2 produit souvent des mélanges qu’il faut ensuite séparer. Le recyclage ascendant des plastiques nécessite une qualité prévisible des matières premières et des catalyseurs sélectifs. Le prototype de 2026 et le projet PETRONAS fourniront les données de terrain nécessaires pour déterminer la place que cette technologie peut occuper dans la transition énergétique du pays.

Points clés

• Le professeur Ong Wee Jun dirige CONNECT à l’Université Xiamen en Malaisie, où il travaille sur la photosynthèse artificielle et la nanocatalyse.
• Son équipe étudie la production d’hydrogène à partir d’eau, la conversion du CO2 en méthanol et en d’autres produits, ainsi que le recyclage ascendant photocatalytique ou électrocatalytique des plastiques.
• Une subvention de plus d’un million de ringgits malaisiens (RM) accordée par PETRONAS en août 2024 finance la conversion à l’énergie solaire du CO2 issu du torchage dans les terminaux gaziers terrestres.
• Un prototype de système solaire de production d’hydrogène est prévu pour la mi-2026 afin d’évaluer ses performances en extérieur en Malaisie.
• Les outils de recherche comprennent les hétérostructures bidimensionnelles, la circulation des charges selon le schéma Z et les carbures métalliques tels que les MXenes.
• Les projets de production d’hydrogène à partir d’eau de mer s’attaquent à la corrosion par les ions chlorure et améliorent la sélectivité afin d’éviter la formation de chlore.
• Les partenariats avec l’industrie et l’utilisation de la théorie de la fonctionnelle de la densité et de l’apprentissage automatique accélèrent la découverte de catalyseurs.
• Ces travaux contribuent à l’objectif de neutralité carbone de la Malaisie à l’horizon 2050 et pourraient améliorer l’accès à l’énergie dans les zones rurales.