Biominéralisation d'oxydes de manganèse pour le stockage électrochimique de l'énergie

par Laura Galezowski

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de François Guyot et de Nadir Recham.

Le président du jury était Bénédicte Ménez.

Le jury était composé de Christel Laberty-Robert, Hania Ahouari.

Les rapporteurs étaient Mathieu Étienne, Bruno Lanson.


  • Résumé

    Nous avons étudié la capacité d’une souche bactérienne à produire par biominéralisation un matériau capable de stocker de l’énergie. L’étude s’est portée sur la culture dans différentes conditions de la souche Pseudomonas putida MnB1, une bactérie Mn-oxydante, capable de produire un oxyde de manganèse par oxydation du Mn2+. En conditions planctoniques (agitation du milieu de culture), la souche bactérienne a la capacité d’oxyder de façon optimale le Mn2+ ajouté dans la solution et conduit à la précipitation d’un oxyde de manganèse MnO2 lamellaire de type birnessite. Les tests électrochimiques réalisés pour cette birnessite biogénique indiquent que ce minéral possède une activité électrochimique d’intercalation des ions lithium et présente une capacité électrochimique proche de la capacité théorique d’un MnO2. La texture produite par biominéralisation permet un maintien des performances électrochimiques et cette propriété intéressante nous a conduit à vouloir l’exploiter en produisant une électrode en une seule étape. Pour cela nous avons produit un biofilm biominéralisé avec la souche Pseudomonas putida directement sur un collecteur de courant. Il est alors possible de former une électrode en une seule étape, composée d’un biofilm avec oxydes de manganèse et ayant une activité électrochimique. L’absence d’agitation, nécessaire à la formation de ce biofilm, entraine une diminution de l’activité d’oxydation de la bactérie et donc une diminution de la précipitation du Mn2+ dans le biofilm. L’optimisation des conditions de cultures (ie. température de culture, luminosité et polarisation du support) a permis de sélectionner une condition favorisant la colonisation du biofilm et la précipitation d’oxydes de manganèse lamellaires très texturés. Les résultats électrochimiques de cette électrode optimisée montrent une amélioration du maintien de la capacité électrochimique. Il serait par la suite intéressant d’utiliser ce processus de biominéralisation pour la production d’un matériau d’électrode ternaire (ie. contenant déjà un ion alcalin) afin de former une électrode de batterie complète.

  • Titre traduit

    Biomineralization of manganese oxides for electrochemical energy storage


  • Résumé

    In this study, we highlighted the ability of a bacterial strain to produce by biomineralization a material to store electrochemical energy. The study focused on the culture under different conditions of the Pseudomonas putida MnB1 strain, a Mn-oxidising bacterium, with the ability to produce a manganese oxide by Mn2+ oxidation. Under planktonic conditions (agitation of the culture medium), the Mn2+ added to the solution was entirely oxidised by the bacterial strain and led to the precipitation of a birnessite-type lamellar manganese oxide MnO2. The electrochemical tests of this biogenic birnessite indicate that this mineral has an electrochemical activity of intercalation of lithium ions and presents an electrochemical capacity close to the theoretical capacity of MnO2. The texture produced by biomineralization allows good electrochemical performances and this interesting property led us to explore the production of an electrode in a one-step process. For this purpose, we wanted to produce a biomineralized biofilm with the Pseudomonas putida strain directly grown on a current collector. The results show that it is possible to form an electrode in one-step, consisting of a biofilm with manganese oxides and exhibiting electrochemical activity. The absence of agitation, necessary for the formation of this biofilm, induces a decrease of bacterial oxidation rate and therefore a decrease in the precipitation of manganese in the biofilm. Then, the optimisation of the culture conditions (i.e. culture temperature, luminosity and polarisation of the support) made it possible to select a condition promoting the colonisation of the biofilm and the precipitation of highly textured manganese oxides. The electrochemical results of this optimised electrode show an improvement of cyclability. It would be interesting to use this biomineralization process to produce a ternary electrode material (i.e. containing an alkali ion) to form a complete battery electrode.


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