Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie

des Protéines

« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - lojou@imm.cnrs.fr

BIOPILES À COMBUSTIBLE PRODUCTION “VERTE”

D’ELECTRICITÉ

Pile à combustible basse température H2/O2

Génération “propre” d’électricité ?

PROs

Large gamme de puissance

Et donc d’applications

Production

H2O

Production

chaleur

CONs

Prix du catalyseur

Disponibilité du catalyseur

Inhibition

par le CO

Cout de la membrane

Production H2

Anode Oxydation Hydrogène

Cathode Réduction oxygène

H+

Catalyse

ur P

t

e- e-

Membrane échangeuse de H+

Nafion®

H2O

O2 H2

Catalyseu

r Pt

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Membrane cellulaire

Vers des alternatives biologiques…

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Membrane cellulaire

Adapté de Lapinsonnière et al., ChemSusChem (2012)

Bactérie Geobacter sulfureducens

Matière organique

Cascade enzymatique

NAD+

FAD

NADH2

FADH2

Chaîne de transporteurs d’e-

Phosphorylation

ATP

Matière organique

e- Accepteur final d’électrons

CO2

Hydrogénase liée à la membrane

Cytochrome oxydase

H2

O2 H2O

H+

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Vers des alternatives biologiques…

Bacterie hyperthermophile Aquifex aeolicus

Hydrogénase liée à la membrane

Cytochrome oxydase

H2

O2 H2O

H+

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Vers des alternatives biologiques…

Catalyseu

r Pt

e-

Catalyse

ur P

t

e-

H+

Anode Cathode

e- e-

Bio

catalyseu

r

Bio

catalyseu

r

Biodégradables, biodisponibles

Spécifiques

Efficaces

Avantages du biocatalyseur

Comburant Carburant

Une biopile pour produire de l’électricité

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H+

Anode Cathode

e- e-

Micro

organ

isme

O2

Matière organique

Une biopile pour produire de l’électricité

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CO2 H2O

Micro

organ

isme

Biocatalyseur Biopile microbienne

Catalyseur vivant, Se reproduit si bien nourri,

Transformation complète de la matière organique en CO2

H+

Anode Cathode

e- e-

Enzym

e

O2

Sucre, Alcool,

H2

Une biopile pour produire de l’électricité

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H2O

Enzym

e

Biocatalyseur Biopile enzymatique

Catalyseur inerte, Très efficace et spécifique

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Une biopile pour produire de l’électricité…

…si le biocatalyseur est électriquement connecté

1 µm 10 nm = 0,01 µm

ELECTRODE

e- e- ?

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Connection électrique des microorganismes

Colonisation des surfaces d’électrode

Etablissement d’un biofilm électroactif

Clichés F. Barrière

Electro

de

e-

e-

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Connection électrique des microorganismes

Transfert d’électrons au sein du biofilm et à l’interface biofilm/électrode

An

od

e Bac

téri

e Mat.

Org.

CO2 +

Transfert d’électrons via un médiateur redox

endogène

e-

Bac

téri

e

An

od

e

Transfert d’électrons via une protéine Membranaire

e-

CO2

Mat. Org.

Bac

téri

e

CO2

Mat. Org.

An

od

e

e-

Transfert d’électrons via des pili protéiques

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Connection électrique des microorganismes

Fonctionnalisation de l’électrode

Favoriser l’adhérence du biofilm

Augmenter la vitesse du transfert d’électron L. Lapinsonnière et al., Electroanalysis (2013)

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Connection électrique des enzymes

Electro

de

e-

e-

?

N. Lalaoui et al., Chem. Commun. (2015)

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Connection électrique des enzymes

Accessibilité aux substrats

Oteri et al., J. Phys. Chem., (2014)

Hydrogénases NiFe très spécifiques pour l’oxydation de H2

O2-, CO- et T° tolérante Aquifex aeolicus

O2-, CO- et T° sensible Desulfovibrio fructosovorans

Orienter l’enzyme pour favoriser la catalyse

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Connection électrique des enzymes

Produit Substrat

Site actif

Relais électroniques

e-

e-

e-

Enzyme

Partenaire physiologique

e-

Produit Substrat

e-

e-

e-

e-

Orienter l’enzyme pour favoriser la catalyse

A. Ciaccafava et al., Angew. (2012)

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Connection électrique des enzymes

Monocouche enzymatique

Matrices 3D :

Augmentation de la quantité d’enzymes

Turn over frequency (s-1) 50 ?

10-6

10-3

De

nsi

té d

e c

ou

ran

t (A

.cm

-2)

Développement de matrices 3D Conductrices fonctionnalisées

Augmenter la quantité d’enzymes connectées

A. de Poulpiquet et al., Electrochim. Acta (2014)

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Connection électrique des enzymes

Monocouche enzymatique

Matrices 3D :

Augmentation de la quantité d’enzymes

Turn over frequency (s-1) 50 ?

10-6

10-3

De

nsi

té d

e c

ou

ran

t (A

.cm

-2)

A. De Poulpiquet et al., PCCP (2014) K. Monsalve et al., Bioelectrochem. (2015)

Or plan

Réseau de nanoparticules d’or

fonctionnalisées

Courant d’oxydation de H2 par une hydrogénase

Courant mA

H2 ON H2 OFF 1 2

Monsalve et al., Electrochem. Commun. (2015)

0

Nanotubes de carbone sur feutres

7mm +

Nanofibres de carbone

Nanotubes de carbone

AuNP

Graphite plan

SAM

Connection électrique des enzymes

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Des caractéristiques…

-Autorenouvellement du biofilm -Stabilité à long terme (ans) -Faible efficacité catalytique

-Etablissement du courant lent (jours)

-Volume d’électrode

-Efficacité et spécificité

-Miniaturisation

-Biocatalyseur inerte

-Stabilité (< mois) -Production de l’enzyme

…Des applications

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Applications des biopiles microbiennes

Exemple 1: Balise de mesures environnementales

24 mW (équivalent à 16 piles alcalines par an)

1,3 m3; 230 kg;

7 mois de fonctionnement sans intervention

L. Tender et al., J. Power Sources (2008)

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Applications des biopiles microbiennes

Exemple 2: Biopile photomicrobienne

L. Gouveia et al., Biores. Technol. (2014)

60 µW Electrodes 10 cm2

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N. Mano, (2003) A. Zebda et al., Sci. Rep. (2013)

In vivo 38 µW pendant 9 jours

In vitro 1 mW/cm2, fem 0.95 V

Exemple 1: Biopile implantée, utilisation des fluides physiologiques

Applications des biopiles enzymatiques

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Applications des biopiles enzymatiques

Exemple 2: Biopile H2/O2 pour des capteurs environnementaux

Harverster

Super capa

H2 O2

e- e-

H+

H2O

A. aeolicus hydrogenase

B. pumilus bilirubin oxidase

A. De Poulpiquet et al., Electrochem. Commun. (2014) K. Monsalve et al., Electrochem. Commun. (2015)

450 µW à 0.6V

5 mesures envoyées toutes les 20 s Fonctionnement continu pendant 7 h

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La biopile de demain- Quelle interdisciplinarité?

Electrochimie

Chimie des matériaux

Génie Électronique

et des procédés

Droit

Sociologie

Microbiologie Biologie

Structurale et moléculaire

Chimie Bioinorganique

Ecotoxicologie