Développement d'une pile à combustibles biologiques fonctionnelle en milieu biologique : optimisation des constituants des électrodes et analyse de leurs fonctionnements par micro-électrochimie

Development of a biocatalytic fuel cell working in biological medium : optimization of the electrodes and their analysis by micro-electrochemistry

• Auteur / Autrice : Marie Pellissier
• Direction : Frédéric Barrière, Philippe Hapiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Rennes 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électrochimique à balayage

Protéines -- Dénaturation (chimie)

Électrodes à enzymes

Électrochimie

Résumé

Les piles à combustibles biologiques enzymatiques (biopile) sont définies comme des dispositifs transformant l'énergie chimique en énergie électrique via des réactions électrochimiques impliquant des composés biologiques. Les applications visées sont nombreuses notamment l'élaboration de sources d'énergie implantable pour alimenter des appareils médicaux. L'état de l'art effectué montre que de nombreuses stratégies sont développées pour améliorer les caractéristiques des biopiles assemblées, notamment la tension de fonctionnement et la puissance des dispositifs. Cependant un problème majeur reste à résoudre pour obtenir un dispositif implantable : la stabilité dans le temps des biopiles, qui devrait être de quelques années au lieu de quelques jours. De plus, beaucoup de prototypes manquent de caractérisation limitant la compréhension des systèmes catalytiques mis en œuvre. Une partie de ce travail a donc consisté à construire des électrodes catalytiques stables dans le temps. Nous avons mis en place une méthode couplant le greffage covalent et la réticulation par formation d'un hydrogel d'enzymes. Les électrodes modifiées par des enzymes présentent une activité catalytique stable durant 6 semaines. Une autre partie de ce travail a porté sur la caractérisation des électrodes modifiées par des enzymes par microscopie électrochimique à balayage (SECM). La première étude a concerné des surfaces micro-gravées, la fonctionnalisation étant la première étape de préparation de surfaces biocatalytiques. La deuxième a porté sur des surfaces conductrices modifiées par des enzymes et la dernière sur des surfaces isolantes modifiées par des enzymes.

Biocatalytic fuel cells are devices which rely upon biocatalytic reactions at the electrodes to convert chemical fuels and oxidants into electrical power. The long-term goal is the design of a small, implantable, and long-lived, low power source for biomedical applications. A lot of different strategies are developed in order to improve the devices, particularly their voltage and their power output. However, the main drawback to obtain an implantable device is the very low stability in time of the biofuel cells, which should be about a few years instead of a few days. Moreover, the prototypes generally have not been really characterized: this limits the understanding of the catalytic systems. The fist part of this work relates to the construction of stable catalytic electrodes. Our method uses two methods: the covalent grafting and the formation of enzymes hydrogel. Our modified electrodes have a catalytic activity stable during 6 weeks. The second part of this work relates to the characterization of electrodes modified with enzymes using scanning electrochemical microscopy (SECM). The first study refers to micro-patterned surfaces as the functionalization is the first step of the preparation of biocatalytic surfaces. The second study refers to enzyme-modified conducting surfaces and the last to enzyme-modified insulating surfaces.