Présentation du Scientic Breakthrough Project IPPON

Dans notre société contemporaine, il est particulièrement urgent de réduire les émissions de CO2 et de trouver des moyens pour vivre dans un environnement propre. Il est donc crucial de développer de nouveaux concepts pour dépolluer efficacement l’environnement, et pour convertir et stocker l’énergie sous différentes formes, notamment chimique. La photocatalyse est une approche clé qui permet d’atteindre ces objectifs ; elle est fondée sur l’utilisation de la lumière solaire ou issue de sources artificielles à faible coût. Il reste que l’efficacité de ces procédés devrait bénéficier substantiellement du potentiel unique offert par la nanophotonique pour capturer et confiner la lumière, et de la nanophononique pour contrôler localement la température.

L’objectif de ce projet est de développer de nouveaux concepts fondés sur l’utilisation de milieux micro et nanostructurés, permettant à la fois le confinement de la lumière incohérente et le piégeage de la chaleur. Pour cela, nous développons une méthodologie complète combinant prédictions théoriques, simulations multi-domaine et multi-échelle, synthèse chimique et micro-nanostructuration de matériaux fonctionnels, expériences avancées en optique, en dynamique des phonons et en photochimie. Ces approches sont développées en combinant le savoir-faire de 4 laboratoires sur Lyon et Saint-Etienne : l’INL, le Lab.HC, l’ILM et l’IRCELYON, spécialistes en physique, chimie et ingénierie, du CNRS, de l’ECL, de l’INSA Lyon, de l’UCBL et de l’UJM.
Percées scientifiques attendues :
Notre projet permettra des avancées majeures sur les plans scientifique et technologique, avec notamment :
-La conception et la fabrication de milieux micro-nanostructurés dédiés à la photocatalyse, en utilisant des approches originales et compatibles avec des grandes surfaces et une production à grande échelle.
-La démonstration de nouveaux régimes de photocatalyse, avec un rendement augmenté du fait du piégeage local de la chaleur dans un milieu nanostructuré illuminé.
-La démonstration d’un régime de dépollution efficace (après la 2ème année du projet) et de photosynthèse artificielle (à la fin du projet), sur la base d’objets d’étude dédiés.

Au-delà de ces résultats attendus, un objectif clé est de promouvoir une interaction scientifique forte et sur le long terme entre les groupes de recherche impliqués, et ce afin d’amener l’Université de Lyon au niveau des consortia de niveau mondial dans le domaine de la photocatalyse pour la dépollution et l’énergie. Cela passera par l’intégration des plateformes de nanotechnologie complémentaires présentes sur Lyon (Nanolyon) et Saint-Etienne (NanoSaintEtienne), sur lesquelles des équipements de haute qualité cofinancés par le projet IPPON seront accessibles. A plus long terme, la méthodologie développée pour le contrôle de la lumière incohérente et de la chaleur seront aussi utilisés dans d’autres domaines comme le solaire photovoltaïque, la détection pour la biologie et l’environnement, et les technologies de l’information.

Proposer de nouvelles solutions de dépollution de l'eau et de l'air, produire des carburants solaires par photosynthèse artificielle : c’est l’enjeu du projet IPPON. Doté d’un montant global de 1.2M€, IPPON est l’un des six projets de l’IDEXLYON sélectionnés dans le cadre de l'appel « Scientific Breakthrough Program » 2018. Les recherches se déroulent sur une période de trois ans au sein de quatre laboratoires : l'INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon), le Laboratoire Hubert Curien de Saint-Étienne, l'ILM (Institut Lumière Matière) à Villeurbanne et l'IRCELYON (Institut de recherches sur la catalyse et l'environnement de Lyon), rassemblant des chercheurs et enseignants-chercheurs du CNRS, de l'École Centrale de Lyon, de l'INSA de Lyon, de l'Université Jean-Monnet et de l'Université Claude Bernard Lyon 1.

Des spécialistes en physique, en ingénierie et en chimie développent des structures « photoniques » et « phononiques ». Ils étudient leurs propriétés optiques et thermiques et leur impact sur les réactions de photosynthèse artificielle. IPPON vise à démontrer de nouveaux régimes de photocatalyse, particulièrement rapides et efficaces, grâce au piégeage de la lumière solaire. L’objectif est d’améliorer le rendement des réactions de photocatalyse, qui sont faibles aujourd’hui, en particulier lorsqu’il s’agit de générer des carburants solaires.

La photocatalyse permet en effet d'accélérer certaines réactions chimiques. On active pour se faire un semi-conducteur à l'aide de l'énergie apportée par la lumière. Pour améliorer ce procédé, les scientifiques impliqués dans ce projet utilisent des cristaux photoniques, constitués de matière criblée de trous de quelques centaines de nanomètres de diamètre. Lorsque la lumière interagit avec ces trous, elle est ralentie et réside plus longtemps dans le milieu actif. Cela permet de contrôler de façon plus efficace la photocatalyse.

Le projet IPPON, à terme, pourrait ouvrir des perspectives très prometteuses pour la production de carburants grâce au stockage de l’énergie du soleil ou d’unités de dépollution. Grâce aux réactions chimiques activées par la lumière, les polluants pourront ainsi être efficacement dégradés ou transformés en produits valorisables. En ce qui concerne la conversion de l’énergie solaire, le projet ambitionne de parvenir à l’objectif fixé par la Commission européenne : atteindre le seuil de 5 % de rendement pour des réactions photocatalytiques comme la photosynthèse artificielle.