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Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie
des Protéines
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
Membrane cellulaire
Vers des alternatives biologiques…
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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+
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
Vers des alternatives biologiques…
Bacterie hyperthermophile Aquifex aeolicus
Hydrogénase liée à la membrane
Cytochrome oxydase
H2
O2 H2O
H+
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
H+
Anode Cathode
e- e-
Micro
organ
isme
O2
Matière organique
Une biopile pour produire de l’électricité
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
H2O
Enzym
e
Biocatalyseur Biopile enzymatique
Catalyseur inerte, Très efficace et spécifique
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
Une biopile pour produire de l’électricité…
…si le biocatalyseur est électriquement connecté
1 µm 10 nm = 0,01 µm
ELECTRODE
e- e- ?
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
Connection électrique des microorganismes
Colonisation des surfaces d’électrode
Etablissement d’un biofilm électroactif
Clichés F. Barrière
Electro
de
e-
e-
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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)
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
Connection électrique des enzymes
Electro
de
e-
e-
?
N. Lalaoui et al., Chem. Commun. (2015)
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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)
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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)
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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)
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
Applications des biopiles microbiennes
Exemple 2: Biopile photomicrobienne
L. Gouveia et al., Biores. Technol. (2014)
60 µW Electrodes 10 cm2
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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
« Une chimie encore plus verte? » - 9 novembre 2015 - [email protected]
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