Electrodes catalytiques à base d’enzymes pour le développement de biopiles alcool/oxygène microfluidiques.

Catalytic electrodes based on enzymes for the development of microfluidic alcohol/oxygen biofuel cells.

• Auteur / Autrice : Vincent Techer
• Direction : Sophie Tingry, Marc Cretin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 19/12/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Tingry, Marc Cretin, Pierre Gros, Thierry Noguer, Louis Renaud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Gros, Thierry Noguer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Électrodes à enzymes

Biopiles enzymatiques

Mots clés libres

Biopile

Microfluidique

Enzymes

Immobilisation

Biofuel cell

Microfluidic

Enzymes

Immobilization

Résumé

Les biopiles enzymatiques sont considérés comme des systèmes potentiellement utilisables pour la production d'énergie renouvelable dans des marchés niches. Une biopile est constituée de deux électrodes associées à des enzymes, catalyseurs biologiques, qui permettent la production d'énergie électrique à partir de réactions chimiques d'oxydoréduction. Ce travail présente la réalisation d'une biopile alcool/oxygène, au sein de laquelle l'alcool est oxydé à l'anode par l'alcool déshydrogénase alors que l'oxygène moléculaire est réduit en eau à la cathode par l'enzyme laccase, en présence de médiateurs spécifiques. L'objectif de ce travail a été tout d'abord de développer des bioélectrodes avec des enzymes immobilisées de manière à minimiser la quantité de biocatalyseur et augmenter sa stabilité. Dans un second temps, l'assemblage de biocathodes et de bioanodes a permis de fabriquer des biopiles à alcool macroscopique et microfluidique. Différentes poudres de carbone combinées à des polymères ont été utilisées pour immobiliser les enzymes et les médiateurs par encapsulation selon diverses configurations. Des analyses électrochimiques ont permis de mettre en évidence l'influence importante de certains paramètres comme la nature du carbone et du polymère, le pH et la température sur les performances des bioélectrodes. Une fois assemblées dans les configurations classique ou microfluidique, ces bioélectrodes ont conduit à des systèmes électrochimiques de génération d'énergie délivrant une densité de puissance maximale de 300μW/cm2 à 0,61V pour la biopile macroscopique et de 45μW/cm2 à 0,5V pour le système microfluidique.

Enzymatic biofuel cells (BFC) are systems of great interest for the production of renewable energy in niche markets. A BFC consists of two electrodes associated with enzymes as catalysts allowing energy production from oxydoreduction reactions. This work is devoted to the development of an alcohol/oxygen BFC for which alcohol is oxidized at the anode by alcohol dehydrogenase while molecular oxygen is reduced to water at the cathode by laccase, in the presence of specific mediators. The objective of this work was first to develop bioelectrodes with immobilized enzymes in order to minimize the amount of biocatalyst and increase its stability. In a second step, biocathodes and bioanodes were assembled to make macroscopic and microfluidic alcohol BFCs. Various carbon powders combined to polymers were used to immobilize enzymes and mediators in various configurations by entrapment. Electrochemical analysis have highlighted the significant influence of certain parameters like the nature of polymer and carbon, the pH or the temperature on the bioelectrodes performances. Once assembled in classical or microfluidic configurations, these bioelectrode led to electrochemical energy generation systems delivering a maximum power density of 300μW/cm2 at 0,61V for the macroscopic BFC and 45μW/cm2 at 0,5V for the microfluidic system.