Billes et nanoparticules biocompatibles et intelligentes pour la conversion d'energie

par Monica Brachi

Projet de thèse en Chimie Physique Moléculaire et Structurale

Sous la direction de Serge Cosnier.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant , en partenariat avec Département de Chimie Moléculaire (laboratoire) et de BEA - Biosystemes électrochimiques et analytiques (equipe de recherche) depuis le 31-07-2019 .


  • Résumé

    Les biopiles à combustibles enzymatiques (EBFCs) sont des dispositifs qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique à partir de l'oxydation de sucres, d'alcools ou encore de l'hydrogène. Elles utilisent des protéines redox comme biocatalyseurs responsables de l'oxydation du combustible et de la réduction de l'oxydant (principalement O2 ou H2O2) à l'anode ou à la cathode respectivement. Les principaux challenges lors de la conceptualisation des EBFCs sont 1- le mécanisme par lequel les électrons sont transférés entre les protéines redox et le collecteur de courant, 2- un grand potentiel d'abandon (ou f.e.m. de la pile), 3- de forts courants électrocatalytiques générés lors des deux réactions redox à chacune des électrodes. De plus, la stabilité des EBFCs représente l'un des principaux freins à leur développement. Cette instabilité est directement à la nature de la matrice d'immobilisation des enzymes. Dans ce contexte, la nanostructuration des électrodes doit tenir un rôle majeur notamment grâce à l'utilisation de matériaux biocompatibles. Le principal but de ce projet est de proposer de nouvelles architectures tridimensionnelles qui permettraient de combiner biocompatibilité, conductivité électrique intrinsèque, porosité et une forte capacité à stocker les différents catalyseurs afin d'obtenir des taux de conversion élevés. L'objectif global est de concevoir des bioréacteurs en utilisant de nouveaux biomatériaux hybrides, incluant des électrocatalyseurs, qui donneraient des biopolymères « vert », peu cher, possédant une surface importante, des possibilités de miniaturisation et ayant un transfert d'électron efficace. Un nouveau concept de billes hybrides combinant des enzymes et des catalyseurs moléculaires, des nanoparticules conductrices et des polymères redox seront développés en utilisant les propriétés remarquables de l'alginate pour fabriquer ces billes ou de nanoparticules en présence du calcium ou de barium. Ces billes/nanoparticules intégreront les électrocatalyseurs et des nanotubes de carbone afin de créer une microsource d'énergie alimentée par le glucose et l'oxygène ambiant. Puisque le glucose est abondant dans la nature, le but final est la fabrication d'un bioréacteur qui puisse également être mis à contribution pour l'alimentation en énergie électrique d'autres petits appareils électroniques.

  • Titre traduit

    Smart biocompatible conductive beads and nanoparticles for energy conversion


  • 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 (OCV) values and 3- maximum electrocatalytic currents generated during concerted oxidoreduction reactions. Moreover, the stability of biofuel cells constitutes one of the main drawback to their development. This is directly related to the denaturation of enzymes and hence to the nature of their immobilization matrix. In this context, electrode nanostructuration has to be tailored with biocompatible materials for every single family of oxidoreductases. The main goal of this project is to envision new three dimension electrode architectures that would allow biocompatibility, intrinsic conductivity, porosity and a large protein loading for higher conversion rate. The overall objective is to create bioreactors using tailored new hybrid nanometer scale biopolymer formulations, including biocatalysts, that provide eco-friendly, cost-effective and biocompatible nanometer scale materials with increased surface area, miniaturization, increased packing, imprinting friendly, as well as, efficient electron shuttling. A new concept of hybrid beads combining enzyme, conductive nanoparticles and redox polymer or redox object will be developed by using organic nanoparticles or the exceptional properties of alginate hydrogel for forming beads in presence of calcium or baryum ions. A new generation of enzymatic fuel cells based on electroenzymatic reactions in aqueous solution will thus be designed by confining enzymes redox mediators and carbon nanotubes in alginate beads. Another way using the immobilization of such particles and beads on or inside buckypapers (carbon nanotube films) will be also explored to develop enzymatic or biomimetic fuel cells. The specific goal is to produce micro-energy sources powered by glucose energy. Since glucose is available in the nature, the endpoint of the project is to construct a bioreactor that will act as a biofuel cell that can be integrated and powered real devices. Thus, this project uses as an energy precursor glucose in the driving force based on electron transfer reactions. The ultimate challenge this project will contribute to society, will be to insure that medicine can ride on the use of biocompatible nanometer-scale bio-electronic devices with an efficient harness in electron transfer from in vivo energy conversion. In addition, our project will monitor the in vitro toxicity of the nanomaterials made as well as the biocompatibility of the bioreactors produced.