Oxydation et réduction bioélectrocatalytique de différents substrats à l'aide d'électrodes en carbone nanostructurées

par Xiaohong Chen

Projet de thèse en Chimie inorganique et Bio inorganique

Sous la direction de Serge Cosnier et de Fabien Giroud.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Département de Chimie Moléculaire (laboratoire) et de BEA - Biosystemes électrochimiques et analytiques (equipe de recherche) depuis le 03-11-2016 .


  • Résumé

    Les biopiles à combustible enzymatiques sont des appareillages qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique à partir de sucres, d'alcool, et de dihydrogène. Elles utilisent comme bioélectrocatalyseurs des protéines redox responsables de l'oxydation du combustible et la réduction de l'oxydant (principalement O2 ou H2O2) à l'anode et à la cathode respectivement. Les considérations majeures pour leur développement sont 1- le mécanisme par lequel les électrons sont transférés de la protéine redox au collecteur de courant, 2- de grandes valeurs de force électromotrice et 3- la maximalisation des courants électrocatalytiques générés lors des réactions concertées d'oxydoréduction. Dans cette optique, la nanostructuration d'électrode doit être adapté pour chaque famille d'oxydoréductase. L'oxydation du NADH jouit toujours d'un intérêt important dans le domaine de la bioelectrocatalyse puisque cette molécule est le cofacteur de plus de 300 déshydrogénases différentes. De ce fait, son oxydation en une forme enzymatiquement active (NAD+) est une étape cruciale dans la recherche sur les biopiles enzymatiques. Cependant, NAD+ n'est pas fortement lié à aux protéines redox et doit être ainsi utilisé directement en solution ; ceci constitue le principal frein à l'utilisation de enzyme redox dépendantes du NAD+ dans des appareillages de production d'énergie tels que les biopiles à combustible. Le but principal de ce projet est la réalisation de nouvelles architectures tridimensionnelles offrant de forte possibilité d'immobilisation de matériel biologique pour une conversion élevée avec le greffage chimique de NAD(P)+ ou son utilisation en tant qu 'assemblage macromoléculaire libre en solution. Au DCM, nous développons une nouvelle classe de conducteurs de courant électrique sous forme de papiers renforcés obtenus par une conjugaison croisée de nanotubes de carbone (CNTs) par des polymères linéaires bifonctionnels (polynorbornènes). Grace à la bonne conductivité des CNTs, ces papiers conducteurs flexibles et poreux peuvent être utilisés comme électrodes.De plus, différents liants promouvant la formation de tels papiers peuvent aussi être adaptés pour porter des groupes spécifiques nécessaires à une future fonctionnalisation des électrodes flexibles par des espèces organiques ou solubles en milieu aqueux comme des coenzymes ou des protéines. Tout d'abord, la recherche sera focalisée sur l'immobilisation du NAD+ à l'intérieur du papier conducteur pour être capable d'étendre leur utilisant pour une large variété de substrats nécessitants des déshydrogénases. Ensuite, le couple redox NAD+/NADH est bas (-560 mV vs. ECS à pH 7,0), cependant son oxydation sur des électrodes non ou peu modifiées requière d'important surtension. De ce fait, nous focaliserons notre attention sur des stratégies pour la fonctionnalisation des CNTs avec des électrocatalyseurs connus et efficaces pour l'électrooxydation du NADH à faibles potentiels. Une approche alternative sera développée avec le CERMAV et consistera à l'incorporation du NAD(P)+ sur des nanoparticules organiques pour créer des configurations supramoléculaire de NAD+ capable de réagir en solution. Le CERMAV sera en charge du design et du développement des nanoparticules obtenu par auto-assemblage de bloc de copolymères tandis que le DCM s'attachera à la fonctionnalisation de ces glyconanoparticules, d'abord avec NAD+ puis avec des enzymes et des médiateurs redox. Les électrodes des biopiles seront confinées dans des chambres perméables aux substrats des enzymes qui contiendront également ces nouvelles configurations supramoléculaires. Suivant les risques de ces différents projets, d'autres approches seront étudiées en utilisant des oxydoréductase contenant un cofacteur enfoui dans la protéine redox comme la FAD avec la glucose oxydase. L'étudiant participera à la formulation des papiers conducteurs et de leurs caractérisations physico-chimiques. Il accomplira les études électrochimiques de différentes électrodes 3D obtenues pour caractériser les propriétés électrocatalytiques des papiers conducteurs fonctionnalisés. Il utilisera les méthodes de base nécessaires en électrochimie (voltampérométrie cyclique, ampérométrie, spectroscopie d'impédance électrochimique)

  • Titre traduit

    Bioelectrocatalytic oxidation and reduction of different substrates using carbon nanostructured electrodes


  • Résumé

    Enzymatic biofuel cells (EBFCs) are devices that convert chemical energy into electrical energy from sugars, alcohol, and dihydrogen. They use redox active proteins as bioelectrocatalyst responsible for the fuel oxidation and oxidant reduction (namely O2 or H2O2) at the bioanode and biocathode respectively. Key considerations in EBFC development are 1- the mechanism by which the electrons are shuttled from redox proteins to the current collector, 2- high open circuit voltage values and 3- maximum electrocatalytic currents generated during concerted oxidoreduction reactions. In this aspect, electrode nanostructuration has to be tailored for every single family of oxidoreductases. NADH electrooxidation is still of great interest in the field of bioelectrocatalysis as this molecule is the cofactor for more than 300 dehydrogenases. Therefore, its oxidation to an enzymatically active form (NAD+) is a crucial step for biofuel cell research. However, NAD+ is not tightly bound to the redox proteins and hence should be used directly into the solution; this constitutes the main drawback of NAD-dependent enzymes use in energy production device such as biofuel cells. The main goal of this project is to envision new 3D electrode architectures that provide a large protein loading for higher conversion rate combined with the chemical binding of NAD(P)+ or its use as freely diffusing macromolecular assemblies. At DCM, we are developing a new class of reinforced buckypapers obtained by crosslinking of carbon nanotubes (CNTs) by multifunctional linear polymers (polynorbornenes). Due to the good conductivity of the CNTs, these flexible and porous buckypapers can be used as electrodes. Additionally, the different binders that promote bucky paper formation can also be tailored to have specific groups for further functionalization of the flexible electrode by organic species or water soluble species in aqueous solution like coenzymes and proteins. Firstly, we will focus our work into NAD+ immobilization within the buckypaper to be able to extend to a very large variety of substrate oxidation requiring dehydrogenases. Secondly, NAD+/NADH redox potential is relatively low (i.e. -0.560 V vs. SCE at pH 7.0), nonetheless its oxidation at a bare carbon electrode requires high overpotentials. Accordingly, we will emphasize our attention on strategies to functionalize carbon nanotubes with efficient electrocatalysts known for NADH electrooxidation at low redox potentials. Another approach that will be developed in collaboration with CERMAV, consists in the grafting of NAD(P)+ onto organic nanoparticles to create supramolecular configurations of NAD+ acting in solution. CERMAV is in charge of the design and development of nanoparticles obtained from the self-assembly of bio-sourced block copolymers while the DCM will assure the functionalization of these glyconanoparticles, first by NAD+ and then by enzymes and redox mediators. Biofuel cells will be based on electrodes confined in a chamber permeable to enzyme substrates and containing these new supramolecular configurations. Depending on the risks and success of these projects, another approach will be to study FAD-dependent oxidoreductases such as Glucose oxidase as the bioelectrocatalyst. The student will participate in the bucky paper formulation and its physical characterization. He will also perform electrochemical studies on the different 3D electrodes obtained to characterize the electrocatalytically properties of the functionalized-bucky papers He will use all the basic method available (cyclic voltammetry, amperometry, impedance spectroscopy).