Thèse soutenue

Conception, synthèse et caractérisation d’une bioanode pour pile à combustible microbienne

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Auteur / Autrice : Jérémie-Luc Sanchez
Direction : Christel Laberty-Robert
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Frontières du vivant. Chimie des matériaux
Date : Soutenance le 10/09/2019
Etablissement(s) : Université Paris Cité
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
Jury : Président / Présidente : Benoît Piro
Examinateurs / Examinatrices : Christel Laberty-Robert, Benoît Piro, François Guyot, Dominique Larcher, Hubert Perrot
Rapporteurs / Rapporteuses : François Guyot, Dominique Larcher

Mots clés

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Résumé

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L’urgence climatique rend plus que jamais incontournable le développement de sources d’énergie propres. Fondés sur les travaux que M. C. Potter mena en 1911, un nombre croissant de chercheurs se sont intéressés à la possibilité d’utiliser des microorganismes pour produire de l’électricité, et ont démontré que ce projet est réalisable. De tels dispositifs, les piles à combustibles microbiennes (PCM), puisent dans l’activité métabolique de bactéries dégradant des molécules organiques, en récupérant les électrons issus de leur respiration. Ces biopiles sont ainsi une source d’énergie renouvelable. Cependant, les modèles existants aujourd’hui doivent être significativement améliorés avant de pouvoir représenter une technologie performante, stable, et profitable. Plusieurs approches existent pour atteindre cet objectif. Par exemple, le transfert électronique entre la bactérie et l’électrode peut être amélioré en travaillant sur la nature du microorganisme ou du consortium bactérien utilisé. Dans ce projet, nous cherchons plutôt à optimiser le matériau et l’architecture d’une anode colonisée par des bactéries au sein d’une PCM. La conception de ce nouveau système est fondée sur l’observation des limites des bioanodes actuellement utilisées.Cette thèse s’intéresse ainsi à la conception d’une bioanode pour pile à combustible microbienne par électrofilage. Ce procédé permet la mise en forme de fibres de polymère nano à micrométriques par extrusion électro-assistée. Ainsi, nous obtenons une membrane de fibres entremêlées que l’on rend conductrice à l’aide de traitements thermiques ou de l’adjonction de particules carbonées. Les électrodes obtenues, adaptées à l’échelle bactérienne, sont ensuite colonisées par la bactérie électroactive Shewanella oneidensis. Cette étape est accomplie soit en laissant un biofilm se développer (in situ ou ex situ), soit en encapsulant les bactéries dans des fibres cœur-coquille. Par la suite, les bioanodes sont intégrées dans un montage de biopile pour évaluer leurs performances et caractéristiques électrochimiques. Les électrodes développées sont alors comparées aux performances mentionnées dans la littérature et montrent de remarquables densités volumiques de puissance et de courant (jusqu’à 3,26•103 A•m 3 et 296 W•m 3 contre 2,08•103 A•m 3 et 500 W•m 3 pour des réacteurs optimisés dans des conditions similaires (Ringeisen et al., 2006)). Un procédé basé sur la cryodessiccation et visant la conservation à long terme des électrodes conçues est aussi présenté. Enfin, les bioanodes développées sont utilisées pour produire de l’électricité à partir de véritables eaux usées. De même, leurs performances sont évaluées et sont encourageantes (4,4•10(3) A•m(-3) et 438 W•m(- 3))