Synthèse de nanocatalyseurs métalliques supportés pour l'électrooxydation du glucose : application en pile implantable

Synthesis of Supported Metallic Nanocatalysts for Glucose Electrooxidation : Application in Implantable Fuel Cell

• Auteur / Autrice : Charly Lemoine
• Direction : Kouakou Boniface Kokoh, Karine Servat, Têko Wilhelmin Napporn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique analytique physique
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie, écologie, géosciences et agrosciences Théodore Monod (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (2012-....) - Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers / IC2MP
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Sophie Tingry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kouakou Boniface Kokoh, Karine Servat, Têko Wilhelmin Napporn, Lionel Dubois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Tingry, Emmanuel Flahaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocatalyseurs

Graphène

Glucose

Piles à combustible

Électrocatalyse

Mots clés libres

Électrochimie

Électrocatalyse

Pile à combustible

Glucose

Oxydation

Synthèse

Bae

Polyol

Nanocatalyseurs

Or

Platine

Support

Graphène

Pile implantable

Electrochemistry

Electrocatalysis

Fuel Cell

Glucose

Oxidation

Synthesis

Bae

Polyol

Nanocatalysts

Gold

Platinum

Support

Graphene

Implantable Fuel Cell

Résumé

L’alimentation durable des dispositifs électroniques implantés est un défi majeur dans les domaines de la médecine et du bio-monitoring. La pile Glucose/Oxygène est une source d’énergie adaptée à ces applications car le glucose est un combustible renouvelable et présent dans les systèmes biologiques. Dans cette étude, des catalyseurs constitués de nanoparticules d’or et de platine dispersés sur des substrats de carbone tels que le Vulcan, l’oxyde de graphène (GO) et l’oxyde de graphène réduit (rGO) ont été préparés par deux voies de synthèse (Bromide Anion Exchange - BAE et polyol). Ces catalyseurs mono- (Pt, Au) et bi-métalliques (AuxPty) ont été utilisés en tant qu’anode de pile implantée dans un animal pour alimenter un dispositif de suivi médical. Les caractérisations physico-chimiques (Raman, MET, DRX, XPS) des matériaux ont permis la détermination de leur structure, leur composition de surface et les interactions métal-support. Ensuite, les techniques électrochimiques (voltammétrie, CO-stripping et chronoampérométrie) ont permis de révéler leur activité et stabilité lors de l’oxydation du glucose et la réduction de l’oxygène en milieux alcalin et phosphate. Lors des tests en pile glucose/O2 avec membrane échangeuse d’ions, Pt/rGO s’est imposé comme le catalyseur le plus performant, et les matériaux bimétalliques à haute teneur en platine comme les plus stables. En tampon PBS, les performances de la pile caractérisées par la tension de pile à circuit ouvert (OCV) et la densité de puissance (Pj) atteignèrent respectivement 0,7 V et 28 microW.cm-2. En l’absence de membrane, le mélange des réactifs, conditions proches de l’implantation, montrait un effet inhibiteur sur l’OCV (0,4 V) et la densité de puissance (8 µW.cm-2).Des analyses par chromatographie et spectrométrie de masse ont permis d’identifier le gluconate et le glucuronate comme seuls produits d’oxydation du glucose, qui sont non-toxiques et à haute valeur ajoutée.

Supplying durable power to implanted electronic devices is a major challenge in medicine and bio-monitoring fields. Due to glucose renewability and presence in biological organisms, Glucose/Oxygen fuel cell is a power source adapted to these applications. In this work, catalysts made of gold and platinum nanoparticles, dispersed on carbon supports such as Vulcan, graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO), were synthesized by two methods (Bromide Anion Exchange - BAE and polyol). These mono- (Pt, Au) and bi-metallic (AuxPty) catalysts were used as fuel cell anode to be implanted in an animal for powering a health monitoring device. Physico-chemical characterizations (Raman, MET, DRX, XPS) of materials permitted to determine their structure, their surface composition, and the metal-support interactions. Then, electrochemical techniques (voltammetry, CO-stripping and chronoamperometry) permitted to reveal their activity towards glucose oxidation and oxygen reduction reactions and their stability in alkaline and phosphate media. During glucose/O2 fuel cell testings with anion exchange membrane, Pt/rGO was the most efficient catalyst, and Pt-rich bimetallic materials were the most stable. In PBS buffer, fuel cell performances depicted by open circuit voltage (OCV) and power density (Pj) reached 0.7 V and 28 microW.cm-2 respectively. Without membrane, the mixing of reactants, near-implantation conditions, caused an inhibition effect on OCV (0.4 V) and power density (8 µW.cm-2).Chromatographic analysis and mass spectrometry permitted to identify gluconate and glucuronate as sole glucose oxidation products, which are non-toxic and value-added chemicals.