Développement d'électrodes modifiées et d'un bioréacteur électrochimique à flux continu pour une application aux biopiles microbiennes

Development of modified electrodes and a continuous flow electrochemical bioreactor for microbial fuel cells applications

• Auteur / Autrice : Joffrey Champavert
• Direction : Christophe Innocent, Laurence Preziosi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 18/07/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Innocent, Laurence Preziosi, Frédéric Barrière, Nicolas Bernet, Maxime Pontié
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Barrière, Nicolas Bernet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sources d'énergie bioélectrique

Bioréacteurs

Graphène

Pseudomonas aeruginosa

Bioélectrochimie

Électrodes

Mots clés libres

Électrode

Bio-Électrochimie

Biopile

Pseudomonas aeruginosa

Graphène

Bioréacteur

Electrodes

Bio-Electrochemistry

Biofuel cells

Pseudomonas aeruginosa

Graphene

Bioreactor

Résumé

Les biopiles microbiennes sont des sources d’énergies renouvelables utilisant des bactéries qui convertissent une énergie chimique en électricité. Pour cela, l’anode doit collecter les électrons issus des microorganismes. La sélection d’un matériau d’anode possédant de grandes performances est d’une importance cruciale dans la construction d’une biopile microbienne. Le graphène est considéré comme un matériau prometteur avec de grandes possibilités d’application dans de nombreux domaines tels que les batteries Li-ion, les cellules photovoltaïques et les super condensateurs électrochimiques en raison de sa structure nanométrique. Ainsi, la modification de surface par de l’oxyde de graphène réduit a été appliquée à la construction d’anodes pour biopiles microbiennes. La cathode abiotique a aussi été étudiée puisqu’elle présente souvent une limitation cinétique vis-à-vis de la réduction de l’oxygène. Les potentialités des complexes organométalliques, et en particulier les phthalocyanines de nickel, ont été étudiés et appliquées à la construction d’une cathode pour biopile. Ainsi, une biopile hybride à deux compartiments a été construite en combinant une bioanode en mousse d’acier inoxydable modifiée par de l’oxyde de graphène réduite et une cathode en feutre de carbone modifiée avec de la phthalocyanine de nickel. La biopile microbienne ainsi construite utilise du lixiviat de terreau, comme source de microorganismes, pour le développement d’un biofilm électroactif à l’anode et présente une bonne stabilité dans le temps. Le graphène a permis d’obtenir une densité de puissance stable pendant une période 40 jours (24.8 mW/m² en présence d’oxygène pur). La cathode présentée dans ce travail a permis d’obtenir une densité de puissance supérieure à une cathode de platine (7.5 fois supérieur). Par ailleurs, un nouveau design de biopile à deux compartiments a été construit, afin de produire de l’électricité à partir d’une souche pure : Pseudomonas aeruginosa qui est connu pour la formation de biofilm électroactive. Un nouveau design a été proposé, permettant de travailler à alimentation constante et non plus en batch comme cela se fait de manière classique. Cette configuration permet de ne plus avoir de diminution de courant liée à un manque d’apport en carburant. Différents paramètres ont ainsi été explorés tel que le débit d’alimentation, la consommation en glucose dans le compartiment anodique, la variation de pH au cours du temps ainsi que l’évolution de la biomasse. Une première approche d’étude de corrélation de ces différents paramètres est proposée.

Microbial fuel cell (MFC) has been considered as a renewable energy source which uses bacteria to convert chemical energy into electricity. Since the anode, as the electron acceptor for the electroactive bacteria, directly interacts with microorganisms, the selection of high performance anode materials is of crucial importance in the design of a MFC. Recently, graphene has been considered as the intriguing material, attracting strong scientific and technological interest with great application potentials in various fields, such as lithium ion batteries, solar cells and electrochemical super-capacitors, for its unique nanostructure and extraordinary properties. Therefore, surface modification using reduced graphene oxide has been investigated for the construction of anodes. An abiotic cathode has also been investigated since it often has a kinetic limitation regarding the oxygen reduction reaction. The potential of the use of organometallics complexes, and more particularly nickel phthalocyanines (poly-NiTSPc), has been studied and applied to the fabrication of cathodes for biofuel cells applications. Thereby, a dual chamber hybrid MFC has been constructed combining a reduced graphene oxide modified bioanode with a chemical poly-NiTSPc modified carbon felt. This MFC uses compost garden leachate, as source of microorganisms, for the growth of an electroactive biofilm onto the anode and presents an excellent lifetime. Indeed, graphene allowed to obtain a power density stable for 40 fays (24.8 mW/m² with pure oxygen). When the modified carbon felt was used as cathode, the power densities obtained were 7.5 higher than the use of platinum cathode. Furthermore, a new design of a dual chamber MFC has been built up in order to work with a constant flow, to supply continuously substrates to the biofilm formed onto the anode from a pure strain, Pseudomonas aeruginosa, and to avoid to work in a batch as it is usually done. The interest of this configuration is to prevent any current loss due to a lack in supply of substrates. Using this bioreactor as a MFC, different parameters have been explored such as the feed rate and the glucose consumption in the anodic compartment, the evolution of the pH as well as the biomass between the entrance and the exit of the chamber. A first study of the correlation between all these parameters has been proposed.