Préparation et caractérisation de nanoparticules à base d

THÈSE

Pour l’obtention du Grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE POITIERS

(Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées)

(Diplôme National – Arrêté du 7 août 2006)

École Doctorale : Ingénierie Chimique, Biologique et Géologique

Secteur de recherche : Chimie Théorique, Physique, Analytique

Présentée par :

Aurélien HABRIOUX

****************

PRÉPARATION ET CARACTÉRISATION DE NANOPARTICULES À BASE D’OR ET DE PLATINE POUR L’ANODE D’UNE BIOPILE GLUCOSE/DIOXYGÈNE

****************

Directeurs de Thèse :

Boniface KOKOH, Professeur

Karine SERVAT, Maître de Conférences

****************

Soutenue le 12 octobre 2009

****************

Jury

M. G. JERKIEWICZ, Professeur Rapporteur

(Queen’s University (Kingston) – Canada)

M. D. LEECH, Professeur Rapporteur

(National University of Ireland (Galway) – Irlande)

Mme R. BASSEGUY, Directrice de Recherches au CNRS Examinatrice

(Université Paul Sabatier de Toulouse)

M. T. GIRARDEAU, Professeur Examinateur

(Université de Poitiers)

Mme S. TINGRY, Chargée de Recherches au CNRS Examinatrice

(Institut Européen des Membranes de Montpellier)

Mme K. SERVAT, Maître de Conférences Examinatrice


M. B. KOKOH, Professeur Examinateur


M. J-M. LEGER, Directeur de Recherches au CNRS Examinateur


1

Je voudrais en premier lieu remercier les Professeurs Jerkiewicz et Leech à la fois pour avoir

accepté de juger ce travail et pour le long déplacement qu’ils ont du effectuer pour assister à la

soutenance. Je remercie également Madame Régine Basséguy (Directrice de recherches au

CNRS), Madame Sophie Tingry (Chargée de recherches au CNRS), Monsieur Jean-Michel

Léger (Directeur de recherches au CNRS) et Monsieur Thierry Girardeau pour avoir accepté

d’être examinateurs lors de la soutenance de thèse.

Dans un second temps je voudrais remercier Monsieur Boniface Kokoh (Professeur) pour les

conseils qu’il m’a prodigué et je tiens à saluer les connaissances dont il fait preuve en chimie des

sucres et en électrocatalyse d’une manière plus générale. Je souhaite également associer à la

réussite de ce travail Madame Karine Servat (Maître de Conférences) dont les connaissances en

catalyse enzymatique, conception d’électrodes enzymatiques et électrochimie m’ont fortement

aidé lors de ces trois années.

Je souhaite également adresser mes remerciements à Messieurs Teko Napporn (Chargé de

recherches au CNRS), Stève Baranton (Maître de conférences), Christophe Coutanceau

(Professeur) et Nicolas Alonso-Vante (Professeur) avec qui les discussions scientifiques ont été

pour le moins fructueuses et je souhaite également saluer leur disponibilité au sein du

laboratoire. Je souhaite également remercier Monsieur Jean-Christophe Guillon, toujours

disponible et prêt à aider les étudiants.

Enfin, j’aimerais adresser un grand merci à tout mes collègues « thésards » Cédric, Rémy,

Martin, Mario, Patrick, Babette, Nourjane et Sylvain qui ont partagé tout ou partie de ces trois

années avec moi et avec qui j’ai passé de très bons moments.

Je tiens également à remercier Monsieur Hervé Huser (Maître de conférences) m’ayant permis

de m’initier à l’enseignement au cours de cette thèse.

Je tiens également à remercier le personnel de l’IEM et en particulier Géraldine Merle, Sophie

Tingry et Christophe Innocent qui m’ont très bien accueilli au cours du stage de 2 mois que j’ai

effectué dans leur laboratoire.

2

Enfin, ce travail de thèse n’aurait pas pu être effectué de la même façon si Claude Rouvier

(Souffleur de verre) et Michel Chauveau n’avaient pas fortement contribué à la réalisation de

pièces pour les montages que j’ai utilisés.

Je voudrais enfin associer à cette thèse mon épouse, Vanessa, qui m’a soutenu tout au long de

ces trois années.

3

SOMMAIRE

INTRODUCTION ................................................................................................. 8

CHAPITRE I : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE ................................................... 12

I.1. La biopile glucose/O2 ............................................................................................................ 13

I.1.1. Historique et principe des piles à combustible basse température ...................................... 13

I.1.2 La biopile glucose/O2 ........................................................................................................... 15

I.2. Oxydation du glucose ........................................................................................................... 19

I.2.1 Oxydation du glucose catalysée par des nanoparticules de métaux nobles .......................... 19

I.2.1.1 Synthèse de nanomatériaux ........................................................................................ 19

I.2.1.1.1 La synthèse « water-in-oil microemulsion » ........................................................ 19

I.2.1.1.2 Synthèse de nanoparticule d’or par la méthode de Slot ...................................... 22

I.2.2. Oxydation du D-glucose sur des métaux nobles ................................................................. 23

I.2.2.1 Oxydation du glucose sur l’or .................................................................................... 25

I.2.2.2 Oxydation du glucose sur le platine ........................................................................... 26

I.2.2.3 Oxydation du glucose sur des nanomatériaux or-platine .......................................... 28

I.2.3 Techniques d’immobilisation enzymatique et transfert électronique entre enzymes et

électrodes ...................................................................................................................................... 29

I.2.3.1 Techniques d’immobilisation d’enzymes à la surface d’une électrode solide ........... 29

I.2.3.2 Transfert électronique entre enzyme et médiateur et théorie de Marcus ................... 32

I.2.4. Oxydation du glucose catalysée par des enzymes ............................................................... 33

I.2.4.1 Oxydation du glucose catalysée par la GDH ............................................................. 34

I.2.4.2 Oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase ........................................... 35

I.3 Réduction du dioxygène catalysée par des enzymes .......................................................... 37

I.3.1 Réduction du dioxygène catalysée par la laccase (EC 1.10.3.2) .......................................... 38

I.3.2 Réduction du dioxygène catalysée par la bilirubine oxydase (EC 1.3.3.5) .......................... 40

I.4 Conclusions et stratégie......................................................................................................... 43

4

CHAPITRE II : PARTIE EXPÉRIMENTALE .................................................... 46

II.1 Nettoyage de la verrerie ...................................................................................................... 47

II.2 Synthèse des nanoparticules Au et Au-Pt .......................................................................... 47

II.2.1 Synthèse des nanoparticules Au-Pt par méthode « water-in-oil microemulsion » ............. 47

II.2.3 Synthèse de nanoparticules d’or par la méthode de Slot ..................................................... 48

II.2.4 Préparation et dépôt des encres catalytiques ....................................................................... 49

II.3 Techniques électrochimiques .............................................................................................. 50

II.3.1 Méthodes de caractérisation électrochimique ..................................................................... 50

II.3.1.1 La voltammétrie cyclique à variation linéaire de potentiel ...................................... 50

II.3.1.2 La spectroscopie infrarouge de réflexion in situ à transformée de Fourier ............. 52

II.3.1.3 Test en pile ................................................................................................................ 53

II.4 Caractérisation physique des catalyseurs synthétisés ...................................................... 54

II.4.1 La diffraction des rayons X en transmission ....................................................................... 54

II.4.2 La microscopie électronique en transmission ..................................................................... 56

II.4.3 La spectroscopie de dispersion d’énergie des rayons X ...................................................... 58

II.4.4 L’analyse thermique différentielle et gravimétrique ........................................................... 59

II.4.5 Spectrophotométrie UV-visible........................................................................................... 59

II.4.7 Conclusion ........................................................................................................................... 60

CHAPITRE III : SYNTHÈSE ET CARACTÉRISATION DES

NANOMATÉRIAUX OR-PLATINE .................................................................. 62

III.1 Caractérisation physique des nanoparticules d’or-platine............................................. 63

III.1.1 Etude du paramètre de maille des catalyseurs bimétalliques Au-Pt .................................. 64

III.1.2 Etude des défauts cristallins présents dans les nanoparticules Au-Pt ................................ 67

III.1.2.1 Simulation des diffractogrammes ............................................................................ 67

III.1.2.2 Interprétation des grandeurs calculées. .................................................................. 72

III.1.2.2.1 Observation METHR des nanoparticules de platine ........................................ 72

5

III.1.2.2.2 Observation METHR des nanoparticules de composition nominale Au70Pt30,

Au80Pt20 et Au ..................................................................................................................... 73

III.1.2.2.3 Taille des particules et dispersion. ................................................................... 74

III.2. Composition chimique des nanoparticules ..................................................................... 79

III.2.1 Composition chimique volumique d’un échantillon. ......................................................... 79

III.2.2 Composition de surface des nanoparticules Au-Pt ............................................................ 81

III.2.2.1 Etude voltammétrique .............................................................................................. 81

III.2.2.2 Mise en évidence des structures de type cœur-coquille ........................................... 88

III.2.2.3 Autres méthodes de quantification de la surface active de platine dans les

catalyseurs bimétalliques Au-Pt ............................................................................................ 89

III.3 Mise en évidence d’une structure alliée Au-Pt ................................................................ 95

III.4 Conclusion ......................................................................................................................... 101

CHAPITRE IV : OXYDATION ENZYMATIQUE ET NON-ENZYMATIQUE

DE LA MOLÉCULE DE D-(+)-GLUCOSE ....................................................... 103

IV.I. Oxydation du D-(+)-glucose catalysée par la glucose oxydase. .................................... 104

IV.1.1 Présentation du médiateur électrochimique utilisé. ......................................................... 104

IV.1.2 Réalisation d’électrodes GOD/HQS en vue de leur application dans une biopile

glucose/O2 ................................................................................................................................... 106

IV.1.2.1 Méthodes d’immobilisation de l’enzyme................................................................ 106

IV.1.2.2 Immobilisation de l’enzyme et du médiateur par adsorption ................................ 110

IV.1.2.3. Immobilisation de la GOD par greffage covalent. ............................................... 113

IV.2. Oxydation du glucose sur nanocatalyseurs bimétalliques Au-Pt. ............................... 115

IV.2.1. Influence de la composition du catalyseur. Etude de l’oxydation du D-(+)-glucose en

milieu NaOH 0,1 M (pH 12,8) .................................................................................................... 116

IV.2.1.1 Corrélation entre composition de surface et allure des voltammogrammes. ........ 116

IV.2.1.2 Effet du taux de charge du catalyseur ................................................................... 119

IV.2.2.1 Allure des voltammogrammes ................................................................................ 122

6

IV.2.2.2 Etude chronoampérométrique ............................................................................... 124

IV.2.2.3. Effet de la température sur l’oxydation du D-(+)-glucose ................................... 126

IV.2.2.4 Effet de la concentration en D-(+)-glucose ........................................................... 129

IV.3. Conclusion du chapitre IV .............................................................................................. 131

CHAPITRE V : RÉDUCTION ENZYMATIQUE DU DIOXYGÈNE DISSOUS

ET RÉALISATION D’UNE BIOPILE GLUCOSE/O2 ....................................... 133

V.1 Réduction du dioxygène catalysée par la BOD. .............................................................. 134

V.1.1 Etude voltammétrique de l’acide 2,2’-azinobis-3-ethylbenzothiazoline-5-sulfonique

(ABTS). ....................................................................................................................................... 134

V.1.2 Immobilisation de l’enzyme et du médiateur dans une matrice de polypyrrole. .............. 136

V.1.2.1 Effet de l’épaisseur du film de polypyrrole ............................................................. 136

V.1.2.2 Effet de la réticulation du film de polypyrrole. ....................................................... 138

V.1.2.3 Stabilité des électrodes réalisées par immobilisation de l’enzyme et du médiateur

dans une matrice de polypyrrole. ........................................................................................ 139

V.1.3. Immobilisation de la BOD par greffage covalent ............................................................ 140

V.1.3.1. Effet de la longueur de l’espaceur. ........................................................................ 140

V.1.3.2. Stabilité des électrodes BOD/ABTS préparées par greffage covalent de l’enzyme 141

V.1.4. Immobilisation du système BOD/ABTS dans une matrice de Nafion®........................... 141

V.1.4.1. La méthode d’immobilisation employée................................................................. 141

V.1.4.2 Caractérisation électrochimique des bioélectrodes ................................................ 143

V.1.4.2.1. Intérêt de l’EDT. .............................................................................................. 143

V.1.4.2.2. Etude des performances électrochimiques des biocathodes BOD/ABTS ........ 144

V.2. Réalisation de biopiles glucose/O2. .................................................................................. 151

V.2.1 Etude des biopiles glucose/O2 utilisant uniquement des enzymes comme catalyseurs. ... 152

V.2.1.1. Tests en pile réalisés avec des électrodes élaborées par adsorption des enzymes et

des médiateurs à la surface des tubes carbonés puis immobilisation du système

enzyme/médiateur dans une matrice de polypyrrole. .......................................................... 152

7

V.2.1.1. Tests en pile réalisés avec des électrodes préparées par greffage covalent des

enzymes à la surface des tubes carbonés............................................................................. 155

V.2.2 Etude des biopiles glucose/O2 utilisant des nanoparticules Au-Pt et le système BOD/ABTS

comme catalyseurs. ..................................................................................................................... 158

V.3. Conclusion du chapitre V ................................................................................................. 160

CONCLUSION GÉNÉRALE ............................................................................. 162

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................. 166

8

INTRODUCTION

9

Ces dernières années de nombreuses études ont été menées sur le développement de

nouveaux systèmes de conversion d’énergie tels que les batteries primaires au lithium et les piles

à combustible. Pour permettre un approvisionnement en énergie de dispositifs implantables, sans

qu’une recharge extérieure en combustible soit nécessaire, et sans nécessité de changer

régulièrement les batteries, la pile à combustible glucose/oxygène constitue une voie très

prometteuse. Bien que d’autres molécules telles que le méthanol et l’éthanol aient énormément

été étudiées, le glucose reste le combustible idéal pour des applications médicales : il est un sucre

du sang, non toxique et très disponible car issu de la biomasse. Le développement d’une telle

technologie de pile dans laquelle le combustible est le glucose et le comburant, l’oxygène

moléculaire, permettrait une avancée majeure dans la détection du diabète, l’alimentation de

pacemakers et celle d’appareils auditifs, oculaires…

Par définition, une biopile est une pile à combustible dont une au moins des électrodes est

d’origine biologique. Ainsi, les études sur les biopiles font apparaître trois types de piles à

combustible :

- la biopile à catalyseurs bactériens : c’est la pile microbienne ou Microbial Fuel Cell (MFC).

Dans ce type de pile, les catalyseurs biologiques utilisés sont des enzymes qui peuvent exercer

leur activité catalytique à l’intérieur du micro-organisme. Le transfert électronique a lieu entre le

micro-organisme et la surface de l’électrode.

- la biopile à combustible dans laquelle les deux catalyseurs sont enzymatiques. (BFC).

Ces deux types de biopiles (MFC et BFC) mettent en application les concepts développés dans

les domaines des biocapteurs et de la biocatalyse d’une manière générale. L’intérêt d’utiliser des

catalyseurs enzymatiques réside dans leur capacité à oxyder ou réduire des molécules organiques

de manière spécifique. Le second intérêt des catalyseurs enzymatiques est d’exploiter leurs

performances catalytiques à basse température dans des milieux électrolytiques de type

physiologique. Dans le cas des biopiles enzymatiques, deux problèmes sont à résoudre pour

permettre le développement de ces sources d’énergie. La première étape consiste à augmenter la

puissance des biopiles actuelles en améliorant les techniques d’immobilisation d’enzyme, en

modifiant la structure chimique des enzymes utilisées ou bien encore en substituant ces

molécules par d’autres catalyseurs.

- la biopile hybride issue de la combinaison d’un catalyseur abiotique (électrode métallique ou

bioinspirée, par exemple) et d’un catalyseur enzymatique.

10

La dernière catégorie constitue notre projet d’étude dans ce travail. Récemment l’utilisation de

nanomatériaux a permis d’augmenter très fortement les surfaces d’électrodes permettant ainsi

l’augmentation des performances des biopiles. La mise au point de nouvelles techniques

d’immobilisation est en outre à l’origine de l’amélioration de la stabilité (actuellement de

quelques jours) des performances obtenues, ce qui constitue le second défi scientifique pour le

développement des biopiles. La problématique peut alors se résumer en deux mots que sont

performance et stabilité. Au cours de cette thèse, nous étudierons uniquement la biopile

glucose/O2 qui constituera l’application des études menées. Cette source d’énergie peut trouver

des applications dans le domaine de la nanorobotique ou bien encore dans le domaine médical,

de par son caractère implantable. Pour ce type d’applications, des enzymes appartenant à la

classe des « multicopper oxidase » sont utilisées pour catalyser la réduction du dioxygène.

L’intérêt de telles enzymes réside dans leur faculté à réduire le dioxygène en eau sans produire

de peroxyde d’hydrogène au cours du processus catalytique. La glucose oxydase (parfois

substituée par la glucose déshydrogénase) est quant à elle classiquement utilisée pour catalyser

l’oxydation du glucose en acide gluconique. Cependant les performances de la glucose oxydase

sont inhibées en présence d’oxygène. Cela est dû à la formation de peroxyde d’hydrogène lors du

processus catalytique d’oxydation du glucose. Pour cette raison, le travail qui suit consistera en

une étude de nouveaux catalyseurs métalliques électroactifs vis-à-vis de l’oxydation du glucose.

Ces catalyseurs permettent aussi d’augmenter les performances de biopiles glucose/O2. Cette

étude va donc s’appuyer sur les travaux précédemment réalisés dans le domaine des biopiles

classiques et des piles à combustible, le but étant de concilier le meilleur du savoir-faire dans le

domaine des biopiles avec celui des piles à combustible dont le laboratoire a l’expertise. Les

matériaux métalliques utilisés pour constituer l’anode de la biopile sont le platine et l’or, ce qui

permet de maintenir la biocompatibilité de l’application. Ce choix de matériaux s’appuie

également sur des études précédemment réalisées dans le domaine de l’électrosynthèse

organique qui ont montré que le platine permet l’oxydation de la molécule de glucose à très bas

potentiel, i.e. inférieur à 0,4 V vs. ERH et que l’or présente une bonne activité en ce qui concerne

l’oxydation des composés hemiacétaliques. Des matériaux bimétalliques de type or-platine

seront donc synthétisés dans le but d’allier les propriétés catalytiques de ces deux métaux. Ils

seront synthétisés sous forme de nanoparticules afin de diminuer les quantités de matière

utilisées tout en augmentant la surface électroactive des électrodes. Le deuxième intérêt d’utiliser

11

ces catalyseurs abiotiques sous forme nanodivisée réside dans la possibilité d’exploiter les effets

catalytiques singuliers observés sur des catalyseurs de taille nanométrique. Dans un premier

temps différentes compositions de catalyseurs bimétalliques seront étudiées afin de déterminer

électrochimiquement celles présentant le meilleur effet de composition dans l’activation du

glucose. De plus il faut noter que la performance d’un matériau dans une activation catalytique

est étroitement liée à sa structure cristalline, sa morphologie, à la distribution des sites actifs, le

niveau d’énergie de la bande de valence des matériaux utilisés et donc à l’interaction entre sa

surface et la molécule électroréactive. Pour ce faire, la compréhension de la structure et des

défauts présentés par les différents matériaux synthétisés a semblé nécessaire au cours de cette

thèse. A cette fin, les différents matériaux bimétalliques ont été caractérisés par des méthodes

physiques. Nous avons aussi développé de nouvelles techniques d’immobilisation d’enzymes

(glucose oxydase et bilirubine oxydase) à la surface d’électrodes afin d’augmenter les

performances des électrodes enzymatiques. Enfin nous avons conçu deux types de biopiles

glucose/O2 possédant un design innovant, concentrique, sans membrane. Tout d’abord nous

présenterons les résultats obtenus avec la biopile « hybride » dont l’anode est constituée de

nanoparticules or-platine et la cathode, la bilirubine oxydase. Enfin nous présenterons une

application avec des catalyseurs enzymatiques où l’oxydation du glucose sera catalysée par la

glucose oxydase et la réduction du dioxygène par la bilirubine oxydase.

12

CHAPITRE I : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE

13

I.1. La biopile glucose/O2

Le but de cette première partie est de comprendre les différences observées entre les piles à

combustible classiques et la biopile glucose/O2. La discussion sera bien évidemment orientée sur

les puissances obtenues avec les deux systèmes mais aussi sur les différences de conception.

I.1.1. Historique et principe des piles à combustible basse température

Le concept de la pile à combustible fut développé par W. Grove [1] au XIXème siècle. Après

avoir étudié l’électrolyse de l’eau, il eut l’idée d’inverser ce processus afin de produire de

l’énergie électrique. En effet, il imagina convertir directement l’énergie chimique de combustion

du dihydrogène en énergie électrique. Plus tard, au cours du XXème siècle, la technologie « pile à

combustible » fut développée et utilisée pour alimenter des systèmes nécessitant de grandes

densités de puissance. C’est dans ce cadre que la NASA (National Aeronautics and Space

Administration) développa, au cours des années soixante, des piles servant de source d’énergie

dans les navettes spatiales du programme APOLLO destinées à l’exploration lunaire. Les

recherches effectuées ont abouti à une classification des piles à combustible en cinq grandes

familles selon la puissance qu’elles sont capables de délivrer (Tableau 1).

Types de piles à combustible Puissance potentiellement accessible

Piles à acide phosphorique (PAFC) 10 MW

Piles à carbonate fondu (MCFC) 1 MW

Piles alcalines (AFC) 100 kW

Piles à oxyde solide (SOFC) 100 kW

Piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) 50 kW

Tableau 1 : Puissance potentiellement délivrable par les différents types de piles à combustible.

Plus récemment l’industrie automobile s’est lancée dans le développement de prototypes utilisant

uniquement le dihydrogène comme source d’énergie afin de proposer des véhicules ne

produisant que peu ou pas de polluants, ni de gaz à effet de serre. Dans ces PEMFC, deux

électrodes de métaux nobles

membrane échangeuse de protons sont utilisées. L’anode est le siège d

combustible (dihydrogène) et à la cathode se produit la réduction du comburant (dioxygène). Les

protons produits à l’anode traversent la membrane échangeuse d’ions pour réagir

qui subira une réduction. Le second intérêt de la

over » du combustible et/ou du comburant d’un compartiment vers l’autre. Les électrons passent

par le circuit électrique externe (Figure 1).

Figure

D’autres systèmes utilisant d’autres combustibles (éthanol, méthanol, diméthoxyméthane…) ont

été développés. Cependant, la température de fonctionnement de la plupart des piles à

combustible (PAFC, SOFC, MCFC) rend ces systèmes inexploitables pour des app

portables. De plus, il semble difficile d’utiliser les PEMFC pour des applications potentiellement

implantables et de taille micrométrique du fait de la difficulté à miniaturiser ces systèmes et de la

nature des combustibles utilisés (dihydrogène

taille d’éléments tels que la membrane ou le réservoir de combustible

de développer un nouveau convertisseur

ces nouvelles piles à combustible

14

électrodes de métaux nobles (métaux dispersés sur un poudre carbonée)

membrane échangeuse de protons sont utilisées. L’anode est le siège d


protons produits à l’anode traversent la membrane échangeuse d’ions pour réagir

Le second intérêt de la membrane est de prévenir un éventuel «

» du combustible et/ou du comburant d’un compartiment vers l’autre. Les électrons passent

externe (Figure 1).

Figure 1: Schéma de principe d’une PEMFC



combustible (PAFC, SOFC, MCFC) rend ces systèmes inexploitables pour des app



nature des combustibles utilisés (dihydrogène, méthanol…). En effet, il est difficile de réduire la

taille d’éléments tels que la membrane ou le réservoir de combustible [2]. Il a donc été nécessaire

nouveau convertisseur d’énergie capable d’alimenter ces microsystèmes.

tible, nous pouvons citer les piles utilisant des catalyseurs

(métaux dispersés sur un poudre carbonée) séparées par une

membrane échangeuse de protons sont utilisées. L’anode est le siège de l’oxydation du


protons produits à l’anode traversent la membrane échangeuse d’ions pour réagir le dioxygène

membrane est de prévenir un éventuel « cross-

» du combustible et/ou du comburant d’un compartiment vers l’autre. Les électrons passent



combustible (PAFC, SOFC, MCFC) rend ces systèmes inexploitables pour des applications



, méthanol…). En effet, il est difficile de réduire la

. Il a donc été nécessaire

d’énergie capable d’alimenter ces microsystèmes. Parmi

, nous pouvons citer les piles utilisant des catalyseurs d’origine

15

biologique. Ces piles opèrent dans des conditions de pH plus ou moins proche de celui des

milieux physiologiques et utilisent des combustibles issus de la biomasse tels que le glucose et

l’éthanol. Ces nouveaux convertisseurs d’énergie portent le nom de biopiles. Cette dénomination

peut être attribuée à toute pile à combustible utilisant au moins un catalyseur d’origine

biologique.

I.1.2 La biopile glucose/O2

L’étude des biopiles glucose/O2 est en plein essor comme en témoigne la figure 2 qui présente le

nombre d’articles recensés ces dernières années.

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 20080

20

40

60

80

100

120

140

160

Nom

bre

de p

ublic

atio

ns

Année

Figure 2: Nombre d'articles recensés concernant l'étude des biopiles glucose/O2 au cours de ces

dix dernières années. Souce INIST.

L’objet des premières études réalisées sur les biopiles glucose/O2 ne correspond plus aux

objectifs visés actuellement. En effet les études menées dans les années 60 visaient le

développement d’un nouveau convertisseur d’énergie pouvant alimenter les stimulateurs

cardiaques ou bien encore les appareils de stimulation nerveuse. Il a cependant rapidement été

16

montré que les puissances obtenues avec des catalyseurs enzymatiques ainsi que la durée de vie

de ces piles [2] étaient telles qu’il était impossible de faire rivaliser la biopile glucose/O2 avec

des batteries Li/ion (alimentant les pacemakers) ou Li/SOCl2 (alimentant les appareils de

stimulation nerveuse). A titre d’exemple, les batteries Li/ion classiquement utilisées délivrent 1

µW pendant dix ans [3]. Une biopile glucose/O2 ne peut fournir une telle énergie que pendant

quatre jours [4].

Un autre objectif de ces biopiles développées dans les années 80, était de produire des

convertisseurs d’énergie « propres » [2]. Seulement les densités de puissance obtenues étaient

mille fois inférieures à celles des générateurs conventionnels.

Aujourd’hui, les travaux scientifiques sur les biopiles glucose/O2 se font selon trois objectifs [4] :

- développer des biopiles microbiennes (commencé depuis la fin des années 1950) utilisant des

carbohydrates comme combustibles. Le fonctionnement de ce type de piles met en jeu une

cascade de réactions enzymatiques à l’intérieur du microorganisme. Lors des premières études,

l’utilisation de médiateurs redox permettait le transfert électronique entre le métabolite et

l’électrode [4]. Au cours des années 2000, une nouvelle étape fut franchie avec la réalisation de

transferts directs (sans médiateur externe) entre le micro-organisme et l’électrode. Ce type de

convertisseur d’énergie est principalement développé pour le traitement des eaux usées. Dans la

suite de ce travail, nous n’étudierons pas ce type de source d’énergie.

- élaborer des convertisseurs d’énergie pouvant être implantées dans des tissus cellulaires ou des

vaisseaux sanguins où le glucose et l’oxygène sont naturellement présents. Pour ce type

d’application, la source d’énergie doit être miniaturisée. Cela passe par la non-utilisation d’une

membrane échangeuse d’ions, ainsi que par le non-confinement de l’électrolyte et des réactifs.

Ceci est rendu possible par la connexion d’enzymes sélectives, capables d’évoluer en milieu

physiologique, sur l’anode et la cathode [2]. L’utilisation d’enzymes isolées de leur

microorganisme permet de s’affranchir des problèmes de diffusion des espèces au travers des

membranes cellulaires.

- fabriquer des micro-convertisseurs d’énergie portables (micropiles) utilisant le glucose comme

combustible. Dans ce type d’applications, il est possible de jouer sur les conditions de

fonctionnement de la pile (pH, concentration des réactifs…). Il est également possible d’éliminer

17

du milieu électrolytique toutes les espèces capables d’empoisonner et/ou d’inhiber les

catalyseurs. En outre, il est possible de s’affranchir du critère de spécificité, ce qui permet

d’utiliser dans un système compartimenté des catalyseurs métalliques offrant des qualités de

stabilité supérieures aux enzymes [4-6].

Dans une biopile glucose/O2 l’oxydation totale du glucose peut théoriquement mettre en jeu

24 électrons permettant sa transformation en dioxyde de carbone (CO2) selon la réaction

suivante :

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6 H2O

Cependant cette oxydation directe n’a jamais été observée [5, 6]. En général l’oxydation du

glucose conduit à la formation d’acide gluconique quelle que soit la nature du catalyseur utilisé

(glucose oxydase, glucose déshydrogénase, catalyseurs abiotiques). L’oxydation du glucose en

gluconolactone se fait selon la réaction suivante :

C6H12O6 C6H10O6 + 2H+ + 2e-

La réaction ayant lieu à la cathode de la pile est la réduction du dioxygène en H2O. Lors de notre

étude, cette réaction sera catalysée par une enzyme, la bilirubine oxydase. L’équation de la

réaction est :

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O

La réaction globale associée au fonctionnement de la pile est donc :

C6H12O6 + ½ O2 C6H10O6 + H2O

L’enthalpie de Gibbs associée à la réaction globale est ∆rG0 = -251 kJ.mol-1 [6], ce qui permet de

calculer la force électromotrice théorique (E0) de la pile à l’aide de l’équation 1 :

∆

… (Eq. 1)

avec n = 2 le nombre d’électrons échangés au cours de la réaction et F la constante de Faraday.

Cette relation permet d’obtenir une valeur de 1,3 V [6] pour E0. De plus, lorsque la pile débite un

18

courant d’intensité I, la différence de potentiel E(I) aux bornes de la pile s’écarte de la valeur

obtenue à l’équilibre Eeq. Cet écart est dû à deux phénomènes :

- Les réactions aux électrodes ont une vitesse finie, ce qui induit l’apparition de

surtensions.

- La résistance de l’électrolyte, Re, induit une chute ohmique.

Ainsi la grandeur E(I) peut être décrite par l’équation 2 :

E(I) = Eeq - ηa - ηc - ReI (Eq. 2)

avec: ηa la surtension anodique et ηc la surtension cathodique.

Récemment, différentes biopiles glucose/O2 ont été développées. Le concept que nous

examinerons ici à titre d’exemple est celui développé dans une série d’articles [7-10] par le

groupe du Professeur Heller. L’innovation consiste en l’immobilisation d’enzymes dans une

matrice électrochimiquement active contenant un complexe d’osmium utilisé comme médiateur

électrochimique. Les auteurs ont décrit un système opérant dans un milieu de type tampon

physiologique (contenant 140 mM de chlorure de sodium et 20 mM de phosphate) dont le pH est

fixé à 7,2 et la température, à 37 °C. Cette biopile est constituée de deux fibres en carbone de

7 µm de diamètre recouvertes de l’hydrogel redox contenant les enzymes. Pour une

concentration en glucose de 15 mM ce système leur a permis d’obtenir une densité de puissance

de 431 µW.cm-2 pour une tension de cellule de 0,52 V [8]. De plus après une semaine de

fonctionnement continu la densité de puissance de cette pile fut encore de 227 µW.cm-2. Mano et

col.[9] ont aussi montré que cette pile pouvait être insérée dans un système biologique tout en

restant opérationnelle. En effet, en implantant les deux fibres de carbone constituant la biopile

dans un grain de raisin (contenant plus de 30 mM de glucose) ils obtiennent une densité de

puissance dépendant de la profondeur d’implantation dans le grain. Au centre du grain, la densité

de puissance est seulement de 47 µW.cm-2 alors qu’elle est de 240 µW.cm-2 lorsque les fibres

sont insérées à la proximité de la peau du grain de raisin. Ceci est expliqué par des différences de

concentration en oxygène au centre et à la périphérie du grain de raisin.

19

I.2. Oxydation du glucose

I.2.1 Oxydation du glucose catalysée par des nanoparticules de métaux nobles

Les propriétés structurales (taille des particules, composition de surface, défauts cristallins) et

catalytiques de nanomatériaux sont bien évidemment extrêmement dépendantes des matériaux

utilisés mais aussi de la méthode avec laquelle ils ont été synthétisés. Dans cette partie, nous

examinerons la synthèse dite « water-in-oil microemulsion » et la méthode dite de Slot,

synthèses que nous utiliserons au cours de ce travail. Nous nous restreindrons à ces deux

méthodes car elles présentent l’avantage d’être des méthodes « à froid » qui ne nécessitent pas la

mise en place d’une étape de calcination après la réduction des sels précurseurs. D’autre part

dans le cas de la synthèse des nanoparticules Au-Pt, la réduction des sels métalliques à

température modérée permet d’éviter tout phénomène de migration des atomes d’or vers la

surface des particules et ainsi d’éviter tout enrichissement de la surface des particules en or.

I.2.1.1 Synthèse de nanomatériaux

I.2.1.1.1 La synthèse « water-in-oil microemulsion »

Le terme microémulsion peut être défini comme une fine émulsion obtenue par agitation de deux

liquides non-miscibles dont la stabilité thermodynamique est assurée par la présence d’un

tensioactif. Selon Capek [11], lorsque la concentration en tensioactif dépasse la concentration

micellaire critique, les molécules de tensioactif forment des micelles inverses (Figure 3)

permettant la « solubilisation » de composés hydrophiles dans la phase organique. Il y a

stabilisation de nanogouttes d’eau dans la phase organique. A plus faible concentration en

tensioactif la formation de micelles permettant la solubilisation de composés lipophiles est

observée [12]. Dans le premier cas, le mélange de deux microémulsions, l’une contenant un

agent réducteur dans sa phase aqueuse et l’autre ayant dans sa phase aqueuse un ou plusieurs sels

précurseurs, permet par collision des gouttelettes d’eau, la formation de nanoparticules

métalliques au sein de micelles inverses (Figure 3). La première synthèse de nanoparticules de

platine, par cette méthode, a été ainsi réalisée en 1982 par Boutonnet et col.

Figure 3 : Formation de nanoparticules métalliques par la méthode «

microemulsion » [11] (à gauche) et représentation schématique d’une micelle directe et d’une

micelle inverse (à droite)

Les processus de nucléation et de croissance des nanoparticules

micelles. Il paraît donc évident que les propriétés de la micelle vont conditionner les propriétés

des nanoparticules. Pour expliquer les mécanismes de formation des nanoparticules dans les

microémulsions, deux modèles ont été supposés

LaMer [15] représentant la concentration en espèce dissoute e

formation des cristaux. Ce modèle suppose que le premier stade de formation des nanoparticules

est la nucléation. Dans un deuxième temps, seule la croissance des nanoparticules aurait lieu.

20


platine, par cette méthode, a été ainsi réalisée en 1982 par Boutonnet et col.

Micelle directe

Micelle inverse

Formation de nanoparticules métalliques par la méthode «

(à gauche) et représentation schématique d’une micelle directe et d’une

processus de nucléation et de croissance des nanoparticules sont



microémulsions, deux modèles ont été supposés [14]. Le premier est basé sur le diagramme de

représentant la concentration en espèce dissoute en fonction du temps lors de la

. Ce modèle suppose que le premier stade de formation des nanoparticules



platine, par cette méthode, a été ainsi réalisée en 1982 par Boutonnet et col. [13].

Micelle directe

Micelle inverse

Formation de nanoparticules métalliques par la méthode « water in oil

(à gauche) et représentation schématique d’une micelle directe et d’une

sont réalisés au sein des



. Le premier est basé sur le diagramme de

fonction du temps lors de la

. Ce modèle suppose que le premier stade de formation des nanoparticules


21

Cela suppose que la taille des particules augmente continuellement avec la concentration en sel

métallique au sein des micelles. Le second modèle est basé sur la stabilisation thermodynamique

des nanoparticules par l’intermédiaire du tensioactif. Ce modèle suppose que la taille des

particules reste constante lorsque la concentration en sel métallique et la taille des micelles

varient. La nucléation continuerait à avoir lieu lors de la croissasnce des particules. Lors d’une

simulation de la cinétique de la formation des nanoparticules par microémulsion, Tojo et col.[16]

montrent l’existence de deux mécanismes selon les concentrations en réactif utilisé. Pour des

grandes concentrations en réactifs, l’étape de nucléation aurait lieu avant l’étape de croissance,

alors que pour de très faibles concentrations, nucléation et croissance se dérouleraient de manière

simultanée. Ils ont également montré que la croissance des particules se fait tout d’abord grâce à

un effet autocatalytique du noyau existant puis grâce au mécanisme nommé « Ostwald

ripening », c’est-à-dire par échange de noyaux entre micelles.

Dans une revue bibliographique sur la synthèse de matériaux catalytiques par microémulsion,

Eriksson et col. [12] identifient les différents paramètres qui affectent la structure des micelles.

Par exemple, le ratio eau/tensioactif a un effet considérable sur la taille des micelles. En effet,

une augmentation de la quantité d’eau induit une augmentation de la taille des micelles. Par

contre, une augmentation de la quantité de tensioactif entraîne la formation d’un grand nombre

de micelles, ce qui implique une diminution de leur taille. La nature du tensioactif utilisé est un

autre facteur clé qui détermine la taille des micelles. En effet, l’utilisation d’un tensioactif

ionique tel que le sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate (AOT) peut entraîner des répulsions

électrostatiques entre les réactifs contenus dans la micelle et la surface de celle-ci. Ce type

d’interaction peut engendrer des modifications de concentration locale en réactifs induisant une

modification de la vitesse de nucléation. Pour éviter ces inconvénients, il est possible d’utiliser

un tensioactif non-ionique tel que le Brij®30. Il est, en outre, nécessaire de préciser que la nature

du tensioactif et celle de l’oléfine utilisée influent sur la flexibilité du film micellaire,

déterminante dans la solubilisation de l’eau dans le système micellaire [17]. Il est alors possible

de jouer sur les échanges intermicellaires. En effet, un film rigide défavorise les échanges inter-

micellaires. Par contre, l’utilisation d’un film flexible augmentera la vitesse de la communication

intermicellaire [16]. De plus, la nature de l’agent réducteur utilisé influe sur la vitesse de l’étape

de nucléation. Les agents réducteurs les plus communément utilisés sont l’hydrazine [13] et le

borohydrure de sodium [18].

22

Par le passé, différentes nanoparticules monométalliques [11] (Pt, Pd, Ag,…) et bimétalliques

(Pt-Ru [18], Pt-Pd [19], Pt-Au [20]…) ont été synthétisées. Concernant l’utilisation de

nanoparticules supportées et synthétisées par microémulsion en électrocatalyse, le problème

majoritairement rencontré est la séparation des particules et du tensioactif capable de bloquer

tout ou partie des sites actifs des particules [12]. Des nettoyages par traitement thermique et

chimique [19, 21] ont été entrepris pour résoudre ce problème. Cependant il a été montré que le

nettoyage du tensioactif (Brij®30) par traitement thermique conduisait à un frittage des particules

et par conséquent, à une perte de surface active des électrocatalyseurs [21].

I.2.1.1.2 Synthèse de nanoparticule d’or par la méthode de Slot

Une des synthèses de nanoparticules d’or est celle proposée par Slot et col. [22]. Les auteurs

indiquent, après études par microscopie électronique de plusieurs centaines de nanoparticules sur

plusieurs échantillons, que la monodispersion en terme de taille (dans le domaine allant de 3 à 17

nm) des nanoparticules est très supérieure à celle obtenue par d’autres méthodes de synthèse.

Cette synthèse est basée sur l’utilisation de deux solutions : l’une contenant un sel d'or, HAuCl4,

l’autre contenant de l’acide tannique et du citrate de trisodium qui sont deux agents réducteurs.

De plus, l’acide tannique joue probablement un rôle dans la stabilisation des nanoparticules d’or.

En effet, il semble que ces dernières « s’enroulent » dans la longue chaîne carbonée du tannin.

Les auteurs soulignent que les paramètres importants à maîtriser pour synthétiser des

nanoparticules de tailles contrôlées, sont le pH, la température et la concentration en acide

tannique dans la solution réductrice. Lorsque les deux premiers paramètres sont fixés à des

valeurs (7,5 < pH < 8 et température de 60 °C) permettant d’obtenir une monodispersion de la

taille des nanoparticules, le seul paramètre permettant de moduler cette dernière dans le domaine

3-17 nm est la concentration en acide tannique. La formation de la solution colloïdale est due à

une sursaturation de la solution en or au cours de la réduction du sel métallique. La concentration

en or augmente jusqu’à ce que la nucléation commence. La croissance des nanoparticules

obtenues est inversement proportionnelle à la racine cubique du nombre de noyaux formés. La

concentration de la solution réductrice en acide tannique est alors le paramètre influant (Figure 4)

23

sur le nombre de noyaux formés. En effet, la cinétique de réduction de HAuCl4 par le citrate de

trisodium est lente.

0.01 0.1 1

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Tai

lle d

es p

artic

ules

/ nm

Volume d'acide tannique à 1% massique ajouté / mL

Figure 4 : Effet de la concentration en acide tannique dans la solution réductrice sur la taille des

nanoparticules d’or synthétisées [22].

I.2.2. Oxydation du D-glucose sur des métaux nobles

Dans cette partie, nous effectuerons tout d’abord une revue bibliographique des différents

matériaux d’électrodes utilisés pour oxyder le glucose puis nous détaillerons leur performance

catalytique. Dans un second temps, nous étudierons plus précisément l’oxydation du glucose sur

des électrodes d’or et de platine. L’oxydation électrocatalytique du glucose a fait l’objet de

nombreuses études. Le platine est le matériau d’électrode le plus étudié [23-25]. En effet

l’oxydation du glucose sur des électrodes de platine a lieu à très bas potentiels (i.e. inférieur à 0,3

V vs. ERH). Il est aussi très connu que le platine est très sensible à l’empoisonnement par les

intermédiaires chimisorbés lors de l’oxydation du glucose [26, 27]. Pour résoudre ce problème,

différents métaux lourds (Tl, Pb, Bi et W) ont été utilisés sous forme d’adatomes pour modifier

la surface des électrodes de platine. En effet, l’activité électrochimique des catalyseurs tels que le

24

platine et l’or augmente considérablement lorsque leur surface est modifiée par un adatome. Un

adatome est un métal déposé en sous-tension (underpotentially deposited – upd) c’est-à-dire in

situ, à une valeur de potentiel supérieure au potentiel thermodynamique de son dépôt massique.

Ces électrodes montrent une bonne électroactivité vis-à-vis de l’oxydation du glucose [28],

activité augmentant avec le pH de la solution électrolytique. Dans une autre étude, Sun et

col.[23] étudient l’oxydation du glucose sur des alliages à base de platine. Les autres matériaux

utilisés sont le plomb, l’or, le rhodium ou encore le palladium. Une cartographie de l’activité

catalytique en fonction de la composition du catalyseur est réalisée. L’électrode présentant

l’activité la plus élevée est celle du platine modifié par des adatomes de plomb de composition

de surface Pt2-Pb. Sur cette électrode, l’oxydation du glucose se manifeste sur le

voltammogramme en milieu tampon phosphate (0,1 M, pH neutre) par un pic très large qui

commence à -400 mV vs. ECS en présence de glucose 0,1 M. Dans le cas d’une électrode

constituée de platine pur, l’oxydation du glucose commence à des potentiels proches de -200 mV

vs. ECS, dans les mêmes conditions que précédemment. Le problème pointé par l’utilisation de

tels matériaux est la dissolution du plomb visible à 400 mV vs. ECS sur le voltammogramme en

milieu support. Le résultat obtenu par Sun et col. semble être confirmé par Becerik et col.[29]

qui étudient l’activité d’électrodes modifiées de polypyrrole par incorporation puis réduction

électrochimique de sels métalliques précurseurs de platine, ruthénium, plomb, étain et bismuth.

Ces auteurs mentionnent que les films de polypyrrole modifiés par Pt-Bi ou Pt-Pb sont les

électrodes les plus actives pour la déshydrogénation de la molécule de glucose. Cependant la

toxicité des métaux lourds employés empêchent le développement de systèmes catalytiques ainsi

constitués.

Par ailleurs, la synthèse de nanomatériaux alliés, permet dans certains cas, d’augmenter

significativement l’activité catalytique des métaux pris isolément sous forme nanostructurée.

Ceci est possible grâce à un effet de synergie entre les différents métaux. Prenons par exemple la

synthèse de nanomatériaux Au-Ag et l’étude de l’oxydation électrocatalytique du glucose

(5 mM) en milieu NaOH 0,1 M, effectuée sur ces nanomatériaux par Tominaga et col. [30]. Cette

étude montre un effet très intéressant de synergie entre l’or et l’argent pour des compositions de

nanomatériaux proches de Au70Ag30. En effet, l’oxydation du glucose commence à de très bas

potentiels (i.e. -0,7 V vs. Ag/AgCl/Cl-) comparé à ce qui est observé sur des nanoparticules d’or

où l’oxydation commence à -0,55 V vs. Ag/AgCl/Cl-. Il est en outre bien connu que de tels effets

25

de synergie peuvent être rencontrés lors de l’utilisation d’alliages or-platine pour l’oxydation de

molécules organiques [31]. Nous étudierons donc dans un premier temps l’oxydation du glucose

sur l‘or et le platine afin de comprendre ce phénomène d’oxydation sur des nanomatériaux alliés.

I.2.2.1 Oxydation du glucose sur l’or

Les premières études sur l’oxydation électrocatalytique du glucose sur des électrodes d’or

massives ont été réalisées au cours des années 80. Ainsi Nikolaeva et col. [32] ont montré que

l’oxydation du glucose sur l’or restait lente ou incomplète en milieu acide, appréciable en milieu

neutre (de type tampon phosphate) et forte en milieu basique. Dans tous les cas, le produit de la

réaction d’oxydation du glucose sur l’or serait l’acide gluconique, produit d’oxydation à deux

électrons. Ces conclusions ont depuis été confirmées par Essis-Yei [33] qui propose un

mécanisme d’oxydation de la molécule de glucose analogue sur l’or et le platine. Il semble bien

établi que l’oxydation du glucose sur l’or a lieu grâce à la formation de sites actifs Au-OH à la

surface de l’électrode [34]. Ainsi le mécanisme d’oxydation suivant peut être proposé :

Figure 5: Mécanisme d’oxydation du D-glucose sur des électrodes d’or (M=Au) [34].

L’étude de l’oxydation du glucose sur une électrode d’or nanostructurée a également été réalisée.

En effet, dans un article, Tominaga et col. [35] étudient le comportement voltammétrique et

26

chronoampérométrique de nanoparticules d’or (taille moyenne 2,3 ± 0,5 nm) en milieu neutre et

alcalin, en présence de glucose. Les auteurs précisent que l’allure des voltammogrammes

obtenus avec ces nanoparticules est conforme à celui obtenu sur une électrode d’or massive.

Cependant la décroissance du courant en chronoampérométrie est beaucoup plus faible avec

l’électrode nanostructurée qu’avec l’électrode massive. Une étude chromatographique des

produits d’électrolyse (effectuées à 0,1 et 0,3 V vs. Ag/AgCl/Cl-) montre que le seul produit

d’oxydation détecté est l’acide gluconique.

I.2.2.2 Oxydation du glucose sur le platine

Les premiers travaux concernant l’oxydation du glucose sur des électrodes de platine ont été

réalisés il y a une trentaine d’années. Le but de ces travaux était de développer des électrodes

pour la réalisation de piles à combustible glucose/O2 implantables ou bien encore pour le suivi in

situ de la concentration en glucose dans le sang. Rao et col [36] montrent, en milieu tampon

phosphate (pH = 7,4), que le produit d’oxydation majoritaire est l’acide gluconique. Cette

conclusion sera plus tard confirmée par Kokoh et col. [25] grâce au suivi chromatographique des

produits d’électrolyse d’une solution de glucose en milieu neutre. De plus, dans les milieux

physiologiques, Giner et col. [37] montrent que les ions chlorure ont un effet inhibiteur sur

l’oxydation du glucose de même que les ions phosphate [28], susceptibles de former une liaison

oxygène-métal avec la surface du platine.

L’oxydation électrochimique du glucose sur le platine implique la déshydrogénation du carbone

anomérique de la molécule de glucose [38]. Largeaud et col. montrent que la forme anomérique

β-D-glucose est beaucoup plus réactive que la forme α. Cette différence de réactivité entre les

deux anomères est attribuée à une orientation géométrique différente de l’atome d’hydrogène lié

au carbone anomérique [39] (cf. figure 6).

Figure 6 : Représentation des anomères

Figure 7 : Voltammogrammes d’une électrode de platine enregistrés à 50 mV.s

type KH2PO4/NaOH (pH = 7,3)

25 °C [25].

Le voltammogramme de la figure 7

glucose sur le platine a lieu dans différentes régions de potentiel. Lors de la variation positive

potentiel, le pic situé à 0,3 V

de platine, par l’intermédiaire de l’atome d’hydrogène lié au carbone anomérique. Pour des

potentiels compris entre 0,4 et 0,8 V

directement en gluconate. Les molécules de gluconate adsorbées se désorbent et passent en

solution [40]. Pour des potentiels supérieurs à 0,8 V

o

H

OHOH

HO

HO

OH

Anomèreα de la molécule de D-(+)

27

Représentation des anomères α et β de la moléculde de D

Voltammogrammes d’une électrode de platine enregistrés à 50 mV.s

/NaOH (pH = 7,3) en présence de 50,6 mM (-) et en l’absence (

Le voltammogramme de la figure 7, effectué en présence de glucose, montre que l’oxydation du

glucose sur le platine a lieu dans différentes régions de potentiel. Lors de la variation positive

potentiel, le pic situé à 0,3 V vs. ERH peut être associé à l’adsorption du glucose sur la surface


potentiels compris entre 0,4 et 0,8 V vs. ERH, les molécules de glucose s’adsorbent et s’oxydent


. Pour des potentiels supérieurs à 0,8 V vs. ERH, l’espèce adsorbée déshydrogénée

HHO

HO

OH

(+)-glucose Anomèreβ de la molécule de D

Carbone anomérique

éculde de D-(+)-glucose.

Voltammogrammes d’une électrode de platine enregistrés à 50 mV.s-1 en milieu de

absence (--) de D-glucose,

montre que l’oxydation du

glucose sur le platine a lieu dans différentes régions de potentiel. Lors de la variation positive de

ERH peut être associé à l’adsorption du glucose sur la surface


e glucose s’adsorbent et s’oxydent


ERH, l’espèce adsorbée déshydrogénée

o

OH

HOH

OH

de la molécule de D-(+)-glucose

28

s’oxyde en gluconolactone qui se désorbe et se transforme en gluconate par hydrolyse [40]. Lors

de la variation négative de potentiel, la lactone adsorbée s’oxyde en gluconate adsorbé grâce aux

hydroxyles libérés lors de la réduction des oxydes de la surface de platine [40]. L’allure des

voltammogrammes présentant l’oxydation du glucose sur des nanoparticules de platine semble

similaire à celle observée avec des électrodes massives [41].

I.2.2.3 Oxydation du glucose sur des nanomatériaux or-platine

Il est bien connu dans la littérature que l’utilisation d’un catalyseur Au-Pt permet d’augmenter

significativement les densités de courant d’oxydation des molécules organiques [31]. Cette

augmentation est attribuée à la présence d’or. Jin et col [42] ont examiné l’oxydation du glucose

sur des nanoparticules Au-Pt synthétisées par coréduction de leurs sels précurseurs. L’oxydation

du glucose sur ce type de catalyseur commence 350 mV plus tôt que ce qui est observé sur une

électrode d’or. Les auteurs ajoutent que l’or et le platine contribuent à la déshydrogénation de la

molécule de glucose et que l’or permet de prévenir l’empoisonnement du platine. Dans cette

même étude, les auteurs montrent qu’une surface d’or modifiée par un dépôt de platine ne

présente pas les mêmes caractéristiques. En effet, ce type d’électrode s’empoisonne beaucoup

plus rapidement. Au vu de cette étude, il apparaît que la structure du matériau Au-Pt semble être

un paramètre très important sur la performance catalytique. Dans une autre étude, Mott et col.

[43] montrent l’existence d’un effet de synergie entre l’or et le platine, dans des nanomatériaux

Au-Pt. La réactivité particulière des nanomatériaux Au-Pt peut être expliquée par une étude

menée par Bus et col. [44] qui montrent que dans ces structures bimétalliques, des électrons sont

échangés entre l’orbitale 5d de l’or et l’orbitale 5d du platine. Ce transfert d’électrons affecte les

énergies des bandes de valence de l’or et du platine. Les niveaux de Fermi de l’or et du platine

semblent se déplacer dans des directions opposées avec une augmentation de l’énergie du seuil

L3 (transition de l’orbitale 2p3/2 vers l’orbitale 5d5/2 et de l’orbitale 2p3/2 vers l’orbitale 5d3/2) du

Pt et une diminution de l’énergie du seuil L3 de l’or. De plus, Comotti et col.[45] montrent que le

taux de conversion du glucose en acide gluconique est plus important sur des catalyseurs

nanostructurés Au-Pt supportés sur carbone que sur le platine seul.

29

Dans un second temps, nous allons nous intéresser à la réalisation d’électrodes enzymatiques, à

la cinétique enzymatique et aux réactions de réduction du dioxygène (catalysée par la bilirubine

oxydase) et d’oxydation du glucose (catalysée par la glucose oxydase).

I.2.3 Techniques d’immobilisation enzymatique et transfert électronique entre enzymes et électrodes

Un des problèmes clés à résoudre pour la réalisation d’électrodes enzymatiques stables et

performantes est l’amélioration des techniques d’immobilisation. C’est pour cette raison qu’il est

nécessaire de mettre au point des méthodes d’immobilisation permettant d’avoir un contrôle, à la

fois sur l’orientation de l’enzyme et sur la distance entre son site actif et la surface de l’électrode.

Pour améliorer la stabilité de l’enzyme il semble nécessaire de ne pas déformer la structure

tridimensionnelle de la protéine pendant son immobilisation. Par le passé, différentes techniques

d’immobilisation ont été imaginées et testées. Dans cette partie nous allons effectuer une brève

revue bibliographique de ces différentes techniques.

I.2.3.1 Techniques d’immobilisation d’enzymes à la surface d’une électrode solide

Plusieurs techniques d’immobilisation enzymatique existent.

- Immobilisation par coréticulation

- Immobilisation de la biomolécule par greffage covalent entre l’enzyme et la surface de

l’électrode

- Immobilisation de l’enzyme dans une matrice de polymère

- Immobilisation de l’enzyme par adsorption à la surface d’une électrode

- Immobilisation de l’enzyme sous une membrane polymère (technique non détaillée ici)

30

La première méthode consiste bien souvent à immobiliser l’enzyme dans un film de polymère

obtenu par électropolymérisation. Cette technique consiste à plonger un support conducteur

solide dans une solution contenant à la fois l’enzyme, un éventuel médiateur et le monomère. Les

molécules enzymatiques sont alors immobilisées dans la couche de polymère lors de la

croissance de celle-ci. La littérature décrit l’usage de différents polymères tels que le polypyrrole

[46], la polyaniline [47] ou bien encore le polyphénol [48, 49]. Le polymère ainsi formé peut être

ou non conducteur électronique selon les conditions d’électropolymérisation. L’avantage d’un

film de polymère tridimensionnel conducteur est la possibilité d’utiliser les fibres de polymères

pour le transfert des électrons. La croissance du polymère peut s’effectuer selon différentes

méthodes. En effet il est possible de réaliser l’électropolymérisation par chronoampérométrie

[50], chronopotentiométrie [46] ou bien encore par voltammétrie cyclique à variation linéaire de

potentiel [46]. Cependant, Fei et col.[46] affirment que la croissance du polymère par

chronoampérométrie mène à des films tridimensionnels non reproductibles du fait de la variation

de la réponse en courant d’une électrode à l’autre [46]. En outre, il a été démontré lors

d’immobilisations de phtalocyanines de cobalt dans un film de polypyrrole, que

l’électropolymérisation du film par méthode voltammétrique mène à des films homogènes et

compacts [51]. Il est important de noter que quelle que soit la méthode employée, il est possible

de quantifier l’épaisseur du film de polypyrrole par la relation d’équivalence courant-matière

[46]. De plus, cette méthode d’immobilisation par électropolymérisation peut être précédée ou

non d’une étape d’adsorption de l’enzyme à la surface du support conducteur solide [52, 53]. De

plus, une étape de réticulation complémentaire du film de polymère peut être réalisée à l’aide

d’agents réticulants tels que le glutaraldéhyde [54].

Une autre technique d’immobilisation consiste à « bloquer » les enzymes dans une matrice de

Nafion® ou de chitosan. Le Nafion® est un polymère communément utilisé pour réaliser des

encres catalytiques pour les piles à combustible. Le chitosan, quant à lui, est un dérivé de la

chitine et est insoluble dans des solutions aqueuses de pH supérieur à 6,3 à cause de la non-

protonation de la fonction amine dans de telles solutions. Les deux polymères précédemment

cités possèdent une partie hydrophile et une partie hydrophobe. En solution, ces espèces peuvent

donc former des structures micellaires à l’intérieur desquelles les enzymes peuvent s’insérer

[55]. De plus, la taille des pores peut être modifiée par traitement chimique des molécules de

polymères dont le caractère hydrophobe peut être modifié. Par exemple, Thomas et col. [56]

31

montrent que la substitution du proton de la fonction sulfonique du Nafion® par un ion

ammonium augmente le caractère hydrophobe du polymère. Il est aussi démontré que le greffage

d’une chaîne alkyle sur la molécule de chitosan augmente également son hydrophobie [57]. Nous

avons donc vu qu’une modification chimique de ces polymères entraîne une modification du

caractère hydrophobe, ce qui implique une modification de la taille des structures micellaires en

solution. Cette augmentation de taille entraîne également une diminution du nombre de micelles

en solution, ce qui implique une diminution du nombre de « sites » pour l’immobilisation

enzymatique. De plus l’usage de ces polymères rend difficile la maîtrise de l’épaisseur du film.

L’usage d’un autre type de polymère a été réalisé par le groupe Heller. En effet, il a été imaginé

de connecter les enzymes à la surface d’électrodes solides en les immobilisant dans un polymère

redox à base d’osmium [58-60]. Dans toute les méthodes d’immobilisation vues précédemment,

le médiateur électrochimique utilisé peut être libre en solution ou bien immobilisé dans la couche

de polymère. Dans le second cas, des pertes de médiateurs [61] sont susceptibles de diminuer

l’activité des électrodes enzymatiques au cours du temps. Dans cette méthode, le polymère agit à

la fois en tant que matrice pour l’immobilisation enzymatique et en tant que médiateur pour le

transfert électronique. L’immobilisation dans une telle couche de polymère présente un second

avantage. En effet, la distance entre le centre actif de l’enzyme et le centre rédox du polymère à

base d’osmium est réduite, ce qui permet d’augmenter la vitesse de transfert électronique.

Dans un second temps nous allons nous intéresser aux techniques permettant de lier l’enzyme à

la surface d’une électrode solide par une ou plusieurs liaisons covalentes successives. La

technique que nous développerons consiste à greffer l’enzyme à la surface de l’électrode via une

chaîne covalente. Plusieurs méthodes de greffage existent dans la littérature. Ainsi Merle et col.

[62] greffent des fonctions amines à la surface d’une électrode en carbone avant de coupler ces

dernières avec les fonctions amines présentes sur l’enzyme, par l’intermédiaire d’un agent

réticulant, le glutaraldéhyde. Dans cette étude, les électrodes enzymatiques ainsi réalisées

exhibent une stabilité remarquable et supérieure à celle obtenue avec des électrodes réalisées par

reconnaissance moléculaire (système avidine-biotine). Un autre exemple bien connu dans la

littérature est la méthode de greffage covalent développée par Willner et col. [63, 64]. Ils

réalisent la reconstitution d’une apo-glucose oxydase après avoir greffé un système FAD (flavine

adénine dinucléotide) à la surface d’une électrode d’or.

32

I.2.3.2 Transfert électronique entre enzyme et médiateur et théorie de Marcus [65, 66]

La théorie de Marcus permet de comprendre quelles doivent être les propriétés d’un médiateur

électrochimique lui permettant d’assurer des transferts électroniques rapides avec une enzyme.

En effet, cette théorie est utilisée pour décrire les transferts d’électrons de la couche externe entre

un donneur (D) et un accepteur (A).

Figure 8 : Courbes présentant l’énergie potentielle des réactifs (R) (complexe A-D) et des

produits (P) (complexe A--D+) en fonction des coordonnées de réaction.

La théorie de Marcus prédit que la vitesse du transfert d’électrons entre molécules est donnée par

une loi de type Arrhénius (Equation 3) :

*G

RTk A eκ−∆

= (Eq 3)

avec A le facteur préexponentiel ou la fréquence de collision, κ le coefficient de transmission

électronique, ∆G* est l’énergie d’activation liée à l’énergie libre du système et à l’énergie de

R

P

I

∆G*

∆G0

CR

E

33

réorganisation λ (coût énergétique causé par la réorganisation des molécules et du solvant pour

effectuer le transfert électronique), R est la constante des gaz parfaits et T, la température.

L’énergie d’activation peut être exprimée par l’équation 4 :

0 2* ( G )

G4

λλ

∆ +∆ = (Eq 4)

Une autre conséquence de la théorie de Marcus est l’équation 5 qui montre que la vitesse de

transfert des électrons peut être exprimée comme fonction de la distance entre la molécule A et la

molécule D :

0(d d )0k k e β− −=

(Eq 5)

Avec k0 la vitesse de transfert des électrons à la distance de contact minimale d0, d la distance de

contact et β une constante.

A partir de cette relation, il est aisé de comprendre que pour avoir une cinétique de transfert

électronique rapide, il faut diminuer au maximum la valeur de d. Pour cela, il est nécessaire

d’utiliser une molécule de médiateur de faible taille. Il est aussi important de choisir un

médiateur minimisant les valeurs de λ et ∆rG0. Il faut donc utiliser un médiateur présentant un

système rédox extrêmement réversible. De plus, la différence entre les potentiels redox de

l’enzyme et du médiateur doit être la plus grande possible.

I.2.4. Oxydation du glucose catalysée par des enzymes

Les études concernant le compartiment anodique des biopiles glucose/O2 visent à élaborer des

électrodes enzymatiques stables et performantes capables d’oxyder le glucose en milieu

physiologique. L’objectif est le développement de systèmes implantables. Les enzymes utilisées

pour catalyser l’oxydation du glucose sont la glucose oxydase (GOD) et la glucose

déshydrogénase (GDH). Leurs propriétés et leurs performances seront détaillées dans les deux

prochains paragraphes.

34

I.2.4.1 Oxydation du glucose catalysée par la GDH

La GDH est une enzyme non-sensible à la présence de dioxygène [67], ce qui rend son usage

attractif en tant que catalyseur anodique dans une biopile glucose/O2. Cependant la GDH

présente l’inconvénient d’être une enzyme NAD dépendante. En effet, il est bien connu que le

potentiel d’oxydation du glucose est limité par la cinétique d’oxydation directe de NADH en

NAD+, réaction dont le potentiel redox est de -560 mV vs. ECS à pH = 7,0 [68]. Pour réduire la

surtension associée à cette réaction, des électrodes de carbone vitreux, de graphite ou bien de

nickel ont été modifiées [69]. Ces électrodes permettent d’oxyder l’espèce NADH à des

potentiels de l’ordre de 0 V vs. ECS à pH = 7,0. Cependant la stabilité en fonctionnement de ces

électrodes reste limitée. Différents médiateurs ont été utilisés pour améliorer la cinétique

d’oxydation de NADH. Une des plus intéressantes études est celle menée par Gao et col.[70]. Ils

proposent d’immobiliser le brilliant cresyl blue (BCB) sur une électrode en carbone vitreux

recouverte de nanotubes de carbone. Dans une seconde étape, ils procèdent à la polymérisation

du BCB. Une solution d’albumine bovine et de GDH est ensuite déposée sur l’électrode avant

une dernière étape de réticulation du film avec du glutaraldéhyde. L’électrode ainsi constituée

montre une bonne activité catalytique puisque l’oxydation du glucose commence à –0,25 V vs.

ECS dans une solution de tampon phosphate à pH 7,0 contenant 100 mM de glucose. Une autre

solution envisagée est d’utiliser une enzyme, la diaphorase, pour catalyser l’oxydation de NADH

en NAD+. La cinétique de cette réaction peut être augmentée en utilisant la vitamine K3 comme

médiateur électrochimique. La bioanode peut être ensuite préparée par dépôt de GDH qui est

ensuite immobilisée dans une matrice de poly(ethylene-glycol) diglycidyl ether (PEGDGE) [71].

Une solution alternative permettant de s’affranchir de la NAD dépendance de l’enzyme est

d’utiliser un quinoprotéine glucose déshydrogénase connectée à un cofacteur pyrroloquinoline

quinone (PQQ) dont la stabilité est limitée [72].

35

I.2.4.2 Oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase

La plupart des travaux présentant l’oxydation du glucose en acide gluconique, utilisent la glucose

oxydase comme catalyseur anodique. La souche de glucose oxydase la plus utilisée est extraite

du champignon Aspergillus Niger. Cette enzyme est caractérisée par une masse moléculaire de

155 kDa et une taille de 60 Å×52 Å×77 Å [73], et est constituée de deux sous-unités identiques

[74]. Cette enzyme contient deux cofacteurs flavine adénine dinécléotide (FAD) intimement liés.

Ces entités sont enfouies dans la structure de l’enzyme et sont accessibles par une ouverture de

10 Å×10 Å [73]. Le potentiel rédox du cofacteur FAD-FADH2, à l’intérieur de la GOD, est de -

0,36 V vs. Ag/AgCl à pH = 7,2 [8, 75, 76]. Cette enzyme catalyse l’oxydation de l’anomère β du

glucose en gluconolactone [77]. Dans cette réaction, le dioxygène est l’accepteur d’électrons

naturel. En conséquence, la formation de peroxyde d’hydrogène (H2O2) se produit lors du

processus catalytique qui peut être explicité à l’aide des réactions chimiques suivantes:

2D Glucose GOD FAD gluconolactone GOD FADHβ − − + − → + −

2 2 2 2GOD FADH O H O GOD FAD− + → + −

La formation de H2O2 est à l’origine d’une inhibition de l’enzyme. Cela est dû à une

modification des groupements amino situés dans le voisinage du site actif de l’enzyme [78]. Le

pH pour lequel l’activité de la GOD est optimale, dépend de la nature de l’accepteur d’électrons

utilisé. En effet, avec le dioxygène, cette valeur semble comprise entre 5,5 et 6 [79]. Avec

d’autres molécules telles que le bleu de méthylène ou le ferricyanure de potassium, cette valeur

de pH optimal est respectivement estimée à 7,5 et 3 [77]. L’activité de la GOD dépend également

de la température. Ainsi, pour des températures supérieures à 40 °C, son activité chute

brutalement [79]. Le point isoélectrique de la protéine est de 4, ce qui signifie que dans des

conditions physiologiques, cette enzyme est un polyanion [75].

Généralement, la GOD ne peut pas réaliser de transfert électronique direct avec la surface d’une

électrode. La distance entre son site actif et la surface de l’électrode est trop importante [80]. En

effet, la distance entre le site actif de la protéine et l’électrode doit être suffisamment petite pour

permettre le passage d’électrons par effet tunnel [80, 81]. Cependant, l’intérêt de réaliser de tels

36

transferts électroniques entre le site actif de l’enzyme et la surface de l’électrode réside dans la

non-nécessité d’utiliser un médiateur électrochimique. En effet, l’utilisation de ces molécules

entraîne une augmentation de la surtension due à la régénération du médiateur à la surface de

l’électrode. Rappelons que dans une pile à combustible, il est nécessaire de minimiser les

surtensions aux électrodes, de façon à augmenter au maximum la force électromotrice de la pile.

De nombreux exemples de transferts électroniques directs entre le site actif de l’enzyme et la

surface de l’électrode (nous ne les détaillerons pas ici) sont donnés dans la littérature [80, 82-88].

Dans le cas où l’utilisation d’un médiateur rédox est nécessaire, il faut bien évidemment choisir

une molécule pouvant être ré-oxydée de manière réversible à la surface de l’électrode avec la

surtension la plus faible possible. Dans la suite de cette partie, nous allons étudier différents

exemples de transferts électroniques indirects entre la glucose oxydase et la surface de

l’électrode.

L’usage de médiateurs rédox appropriés permet d’augmenter la vitesse de transfert électronique

entre le site actif de la GOD et la surface de l’électrode, ce qui, par voie de conséquence, permet

d’augmenter les densités de courant associées à l’oxydation du glucose. Un second avantage est

la possible limitation de la réaction parasite conduisant à la formation de peroxyde d’hydrogène.

En effet, pour cela, il suffit que la vitesse de transfert électronique entre la GOD et le médiateur

soit supérieure à la vitesse de transfert électronique entre la GOD et l’oxygène. Le couplage de la

GOD avec différents médiateurs électrochimiques a été étudié. Les médiateurs les plus

communément utilisés sont les complexes d’osmium [75, 89], les composés à base de ferrocène

[90] et l’acide 8-hydroxyquinoline-5-sulfonique (HQS) [50]. Ces médiateurs ont en effet des

propriétés intéressantes et peuvent être utilisés pour la réalisation d’une biopile glucose/O2.

Cependant, les hauts potentiels rédox des composés ferrocènes [90] ne permettent pas leur usage

dans une pile glucose/O2 à cause de la surtension générée lors de leur réoxydation à la surface de

l’électrode. Le système rédox HQS oxydé/HQS réduit possède un potentiel rédox de 28 mV vs.

ECS, en milieu tampon phosphate à pH = 7,4. Cette valeur n’exclut pas l’utilisation de cette

molécule en tant que médiateur électrochimique, malgré l’importante surtension qu’elle génère.

Le médiateur connu comme le plus efficace a été synthétisé par le groupe Heller [60, 75] puisque

le potentiel rédox de ce polymère est de -195 mV vs. Ag/AgCl à pH = 7,2. La longue chaîne

carbonée permet la connexion entre le centre rédox Os3+/Os2+ et le squelette du polymère. De

plus, la longue chaîne de 13 atomes, flexible, permet d’augmenter la probabilité de collisions

37

entre les centres osmium oxydés et réduits. Par conséquent, le coefficient de diffusion des

électrons est très élevé et atteint la valeur de 5,8×10-6 cm2.s-1 [60]. En outre, la nature

polycationique du polymère permet de faciliter le contact avec la GOD, puisque celle-ci est un

polyanion au pH physiologique. La réticulation du polymère avec le PEGDGE

(polyethylèneglycoldiglycydilether) permet la formation d’un hydrogel gonflant en milieu

aqueux, ce qui constitue une matrice tridimensionnelle, perméable au substrat et connectée à la

surface. Il est probable que la nature du gel permet une déformation très faible de la structure

tridimensionnelle de la protéine. Les électrodes ainsi constituées présentent une remarquable

activité puisque l’oxydation du glucose commence à -360 mV vs. Ag/AgCl et atteint un courant

limite de 1,3 mA.cm-2 à partir de -100 mV vs. Ag/AgCl en milieu tampon physiologique de

pH = 7,2 contenant 15 mM de glucose pour une vitesse de variation du potentiel de 1 mV.s-1

[91]. Une autre possibilité pour élaborer une électrode permettant d’oxyder le glucose, par

l’intermédiaire de la glucose oxydase, a été développée par le groupe Willner [63, 92]. Les

auteurs proposent la reconstitution de l’apoenzyme à partir d’une monocouche de

pyrroloquinoline quinone (PQQ) liée au cofacteur FAD. La PQQ agit comme un médiateur pour

le transfert électronique. Elle permet également de relier les centres rédox FAD à la surface de

l’électrode d’or. Ils montrent qu’une telle électrode permet une vitesse de transfert des électrons

supérieure à celle observée entre la GOD et le dioxygène, ce qui implique la tolérance de cette

électrode à la présence de l’oxygène moléculaire. Cette électrode a de bonnes performances

catalytiques puisque l’oxydation du glucose commence à -125 mV vs. ECS, ce qui représente le

potentiel rédox du médiateur PQQ.

I.3 Réduction du dioxygène catalysée par des enzymes

En général, les enzymes utilisées pour catalyser la réduction de l’oxygène sont la laccase et la

bilirubine oxydase. L’intérêt majeur de ces catalyseurs est leur capacité à réduire directement le

dioxygène en eau, sans formation du peroxyde d’hydrogène, à des potentiels plus élevés que ce

qui peut être observé avec des catalyseurs à base de platine [93]. Ces deux enzymes contiennent

quatre centres actifs Cu2+/Cu+, qui sont classifiés en trois types : T1, T2 et T3. Le site T1 est

responsable de l’électrooxydation du substrat donneur d’électrons. Le centre trinucléaire,

composé d’un site T2 et de deux sites T

[4, 94]. Le mécanisme associé à la réaction de réduction de l’oxygène moléculaire est donné sur

la figure 9. Durant le processus, quatre électrons sont fournis successivement par le site T

conséquent, les trois ions Cu2+

suite, les sites T2 et T3 peuvent interagir avec la molécule de

intermédiaire peroxo, qui est ensuite réduit en un ion

Figure 9 : Représentation schématique de la réduction du dioxygène catalysée par les

I.3.1 Réduction du dioxygène catalysée par la laccase

La laccase appartient à la classe des oxydoréductases capable

chimique de composés phénoliques en réduisant de manière concomitante le dioxygène en eau.

Selon le microorganisme à partir duquel elle est extrai

valeurs de potentiels rédox variant entre 430 et 780 mV

différents séquences d’acides aminés autour du site T

mécanisme d’oxydation du substrat, des mesures effectuées démontrent que la réduction du site

T1 a lieu avant la réduction du site T

intramoléculaires vers les deux sites T

issue de la souche Trametes versicolor

avoisine 780 mV vs. ENH [97]

laccase.

38

et de deux sites T3, est quant à lui responsable de la réduction du dioxygène

Le mécanisme associé à la réaction de réduction de l’oxygène moléculaire est donné sur

re 9. Durant le processus, quatre électrons sont fournis successivement par le site T2+ du centre trinucléaire sont réduits et présents à l’état Cu

peuvent interagir avec la molécule de dioxygène pour former un

intermédiaire peroxo, qui est ensuite réduit en un ion hydroxyle.

Représentation schématique de la réduction du dioxygène catalysée par les

« multicopper oxidase »

I.3.1 Réduction du dioxygène catalysée par la laccase (EC 1.10.3.2)

La laccase appartient à la classe des oxydoréductases capables de catalyser la transformation


Selon le microorganisme à partir duquel elle est extraite, le site T1 de la laccase présente des

valeurs de potentiels rédox variant entre 430 et 780 mV vs. ENH. Ceci peut être expliqué par

différents séquences d’acides aminés autour du site T1 de l’enzyme


a lieu avant la réduction du site T2, elle-même suivie d’un transfert d’électrons

intramoléculaires vers les deux sites T3 [96]. D’un point de vue thermodynamique, la laccase

Trametes versicolor est très attractive puisque le potentiel rédox de son site T

[97], valeur supérieure à celle observée pour les autres souches de

, est quant à lui responsable de la réduction du dioxygène

Le mécanisme associé à la réaction de réduction de l’oxygène moléculaire est donné sur

re 9. Durant le processus, quatre électrons sont fournis successivement par le site T1. Par

du centre trinucléaire sont réduits et présents à l’état Cu+. Par la

dioxygène pour former un

Représentation schématique de la réduction du dioxygène catalysée par les

(EC 1.10.3.2)

de catalyser la transformation


de la laccase présente des

ENH. Ceci peut être expliqué par

de l’enzyme [95]. Concernant le


même suivie d’un transfert d’électrons

D’un point de vue thermodynamique, la laccase

est très attractive puisque le potentiel rédox de son site T1

valeur supérieure à celle observée pour les autres souches de

39

Deux approches sont possibles pour la réalisation d’électrodes à base de laccase avec transfert

indirect d’électrons. La première est basée sur l’utilisation de petites molécules organiques en

tant que médiateur électrochimique. Parmi elles, on trouve le ferrocène (potentiel rédox de

405 mV vs. ECS), le ferricyanure de potassium (potentiel rédox de 119 mV vs. ECS), la

syringaldazine [98] ou bien encore l’acide 2,2-azinobis-3-ethylbenzothiazoline-5-sulfonique

(ABTS). Il est démontré que le pH de fonctionnement optimal de l’enzyme dépend du médiateur

utilisé, par exemple, Xu et col. [99] montrent que cette valeur optimale de pH est comprise entre

5 et 8 lorsque des substrats phénoliques sont utilisés, et inférieure à 7 avec des substrats

non-phénoliques. Parmi toutes les molécules précédemment citées, l’ABTS présente le meilleur

potentiel rédox. En effet, ce composé présente deux systèmes quasi réversibles dont les

potentiels de demi-vague sont respectivement de 469 et 870 mV vs. Ag/AgCl en milieu tampon

acétate de pH = 5 [100]. Le pH optimum de fonctionnement de la laccase avec ABTS comme

médiateur rédox est de 3 dans une solution de type citrate-phosphate [95]. La température

optimale de fonctionnement est quant à elle, comprise entre 40 et 50 °C. De plus, Palmore et col.

[95] démontrent que la vitesse de réduction de ABTS. - à la cathode dépasse la vitesse à laquelle

ABTS2- est oxydée par le dioxygène. Il est donc possible de conclure que l’étape cinétiquement

limitante à la cathode est la réduction du dioxygène en eau. La seconde approche est basée sur

l’immobilisation de l’enzyme dans des films contenant des porphyrines d’osmium [101], de

ruthénium [102] ou bien des complexes de fer [102]. Néanmoins, Barrière et col. [102] montrent

que dans un tampon citrate de pH = 4,5, des médiateurs tels que [Ru(CN)6]4-/3-,

[Fe(2,2’-bypiridine)]2+/3+ et [Fe(1,10-phenantroline3]2+/3+ ne sont pas efficaces lorsqu’ils sont

associés à la laccase. Ce phénomène est très certainement dû au potentiel rédox élevé de ces

composés par rapport au potentiel rédox du site T1 de l’enzyme. En effet, lorsque le potentiel

rédox du médiateur augmente, la vitesse de transfert des électrons diminue. Celle-ci devient très

faible lorsque le potentiel rédox du médiateur est proche ou supérieur à celui du site T1 de

l’enzyme.

Jusqu’à présent, la connexion de la laccase à la surface d’une électrode par l’intermédiaire d’un

polymère d’osmium, donne les meilleurs résultats en ce qui concerne la réduction du dioxygène

en eau [103]. Cela consiste à immobiliser l’enzyme par réticulation d’un polymère d’osmium

contenant une haute densité de centre rédox Os3+/Os2+. Comme dans le cas étudié au paragraphe

I.2.4.2, ce polymère présente une chaîne flexible d’atomes favorisant les transferts électroniques

40

entre centres d’osmium oxydés et réduits. En effet, le coefficient de diffusion des électrons dans

le film est de 7,6×10-7 cm2.s-1. L’électrode résultante délivre une densité de courant de

860 µA.cm-2 avec une faible surtension associée. En effet, 90% du courant limite sont atteints à

seulement -70 mV vs. O2/H2O à pH = 5 contre -400 mV vs. O2/H2O pour un fil de platine.

Néanmoins, de nombreuses études montrent que la laccase ne présente que très peu ou pas

d’activité à pH neutre et/ou en présence d’ions chlorure. Barrière et col. [102] reportent qu’à

pH = 7, il ne reste plus que 7% de l’activité électrochimique déterminée à pH = 5. Cette

observation est confirmée par Barton et col. [101] qui montrent qu’à pH = 7, en présence de 100

mM d’ions chlorure, la plupart des souches de laccase sont inactives. Cependant, cette perte

d’activité semble dépendre à la fois du substrat utilisé et de la souche de l’enzyme. Une étude

réalisée sur plusieurs souches démontre que la laccase provenant de souches telles que C.

hirsutus, C gallica ou Pleurotus conserve seulement 40% de son activité initiale lorsque la

concentration en chlorure avoisine les 100 mM, dans un milieu tampon citrate de pH = 5. Dans la

même étude, il est montré que la laccase provenant de C. hirsutus ou C. gallica est inactive à

pH = 7, alors que dans les mêmes conditions, la laccase provenant de Pleurotus ostreatus semble

conserver, à pH = 7, 20% de l’activité qu’elle exhibe à pH = 5 [101]. De plus, l’étude du

phénomène devient très complexe car il semble que l’activité de l’électrode soit aussi une

fonction du médiateur utilisé. En effet, lorsque des laccases issues de souches telles que

Pleurotus Ostreatus et Coriolopsis gallica sont utilisées avec la syringaldasine en tant que

médiateur, les électrodes retiennent à pH = 7, 70% de l’activité qu’elles exhibent à pH = 5.

I.3.2 Réduction du dioxygène catalysée par la bilirubine oxydase (EC 1.3.3.5)

La bilirubine oxydase (BOD) catalyse naturellement l’oxydation de la bilirubine avec la

réduction concomitante du dioxygène [104]. La séquence d’acides aminés de la BOD est très

proche de celle des autres « multicopper oxidase » telle que la laccase. Cette enzyme contient,

tout comme la laccase, un site T1, un site T2 et deux sites T3. Le site T1 accepte les électrons

provenant de substrats organiques, avant de les relayer vers les sites T2 et T3 [105]. Il est montré

que le potentiel rédox du site T1 dépend de la nature du ligand axial utilisé [106]. Par exemple, le

remplacement de la glutamine par la méthionine entraîne une augmentation du potentiel rédox du

41

site T1 [107]. Les BOD les plus communément utilisées proviennent des souches Myrothecium

verrucaria [104] et Trachyderma tsunodae [108]. Ces deux protéines ont des masses

moléculaires respectives de 66 [104] et 64 kDa [108]. Les potentiels rédox du site T1 de ces

enzymes sont respectivement proches de 670 mV vs. ENH et compris entre 650 et 750 mV vs.

ENH. Le potentiel rédox du site T2 est, quant à lui, de l’ordre de 400 mV vs. ENH. La stabilité

thermique des deux souches est également différente. En effet, l’activité enzymatique de la BOD

provenant de Trachyderma tsunodae augmente jusqu’à 40 °C puis diminue rapidement après

60 °C [108]. L’activité de la BOD provenant de Myrothecium verrucaria augmente quant à elle,

jusqu’à 60 °C [105]. L’activité catalytique dépend elle aussi fortement de la souche de BOD

utilisée. En effet, lorsque la BOD provenant de Myrothecium verrucaria et la BOD provenant de

Trachyderma tsunodae sont liées à l’électrode par l’intermédiaire d’un polymère d’osmium, les

densités de courant obtenues sont respectivement de 730 µA.cm-2 à 0,25 V vs. Ag/AgCl et de

880 µA.cm-2 à 0,3 V vs. Ag/AgCl, en milieu physiologique, à une vitesse de variation du

potentiel de 1 mV.s-1 [108]. Cette amélioration est due à une différence dans la séquence d’acides

aminés entourant le site T1 de l’enzyme. De plus, le point isoélectrique de la BOD se situe

environ à pH 4 [109], ce qui signifie que dans des conditions physiologiques, la BOD, tout

comme la GOD, est un polyanion. Ceci favorise l’interraction électrostatique entre l’enzyme et

des médiateurs chargés positivement. électrochimique.

Les performances catalytiques de la BOD dépendent aussi du médiateur utilisé. En effet, le

potentiel auquel apparaît le courant de réduction de l’oxygène peut varier en fonction du

potentiel rédox du médiateur. Plus ce potentiel rédox est élevé, plus le potentiel d’abandon de la

bioélectrode est élevé. De même que pour la laccase, si l’écart entre le potentiel rédox du site T1

de l’enzyme et du médiateur est trop faible, le transfert électronique entre l’enzyme et le

médiateur est lent [110]. Différents types de médiateurs peuvent être utilisés avec la BOD. Parmi

les molécules utilisables, on trouve dans la littérature ABTS2- (0,469 V vs. Ag/AgCl [100]),

[W(CN)8]3-/4- (0,314 V vs. Ag/AgCl [110]), [Os(CN)6]

3-/4- (0,444 V vs. Ag/AgCl [110]),

[Mo(CN)8]3-/4- (0,577 V vs. Ag/AgCl [110]). Parmi toutes ces molécules, seuls ABTS2- et

[W(CN)8]3-/4- conduisent à l’obtention de densités de courant élevées [110, 111]. Xu et col.

montrent que l’activité d’une électrode BOD-ABTS2- est optimale à un pH de 4 [112]. De plus,

Tsujimura et col. [111] étudient l’influence de la force ionique du milieu (en l’ajustant avec du

chlorure de potassium) sur l’activité catalytique de telles électrodes. Ils montrent qu’une

42

augmentation de la force ionique de 0,1 M à 0,2 M entraîne une diminution de l’activité

catalytique d’environ 45%. En utilisant un polymère rédox d’osmium, dont les propriétés ont été

précédemment détaillées dans les parties précédentes, et en ajustant convenablement son

potentiel rédox, il est possible de réaliser des électrodes qui présentent un potentiel d’abandon de

530 mV vs. Ag/AgCl à pH = 7,4, ce qui représente une surtension de seulement 26 mV pour la

réaction de réduction du dioxygène [108].

L’intérêt majeur d’utiliser la BOD en tant que catalyseur pour la réaction de réduction du

dioxygène réside dans sa capacité à rester active à des pH physiologiques et en présence d’ions

chlorure. En effet, il semble que son activité ne soit pas affectée en milieu physiologique en

présence d’une concentration en chlorures allant de 0 à 1 M [108]. A des concentrations

supérieures à 1,5 M, l’inhibition est due à la complexation des sites cuivriques de l’enzyme

[105]. Donc cette enzyme offre la possibilité d’élaborer des électrodes possédant une réelle

activité catalytique en milieu physiologique.

Il est démontré que l’oxydation de la bilirubine en biliverdine catalysée par la BOD entraîne la

formation de peroxyde d’hydrogène lors de la réduction du dioxygène [113]. De plus, la quantité

d’oxygène présente dans le milieu réactionnel a un effet sur la quantité de peroxyde d’hydrogène

formé lors de la réaction [114]. Il est donc possible de conclure que le produit de la réaction de

réduction du dioxygène dépend de la nature du substrat utilisé. Cependant, une étude réalisée

avec une électrode disque-anneau en utilisant la BOD en tant que catalyseur et un polymère

d’osmium comme médiateur électrochimique a montré la présence d’un courant négligeable sur

l’anneau lors de la réduction du dioxygène. Cela montre qu’il n’y a pas de formation de

peroxyde d’hydrogène lors du processus [105]. Lorsque ABTS2- est utilisé en tant que médiateur,

des observations indirectes consistant à estimer la diminution de la concentration en dioxygène,

au cours du temps dans le milieu réactionnel, montrent que quatre molécules d’ABTS2-

réagissent avec une molécule d’oxygène. Cela est en accord avec le fait qu’il n’y a pas de

formation de peroxyde d’hydrogène au cours de la réaction [111]. Une seconde observation

consistant à quantifier le temps au bout duquel la concentration en dioxygène devient nulle va

dans le même sens que l’observation précédente. En effet, ce temps n’est pas affecté par

l’addition de catalase, enzyme capable de catalyser la dismutation du peroxyde d’hydrogène

43

[111]. Cette expérience montre de manière indirecte qu’il n’y a pas de formation de peroxyde

d’hydrogène au cours du processus de réduction lorsque ABTS2- est utilisé en tant que médiateur

Le problème majoritairement rencontré avec les électrodes constituées de BOD est leur manque

de stabilité. Mano et col. montrent que leur électrode constituée de BOD provenant de la souche

Trachyderma tsunodae immobilisée dans un polymère d’osmium conserve 95% de son activité

initiale, après un stockage de trois semaines [108]. Ils expliquent cette stabilité par une

interaction électrostatique entre l’enzyme et le polymère. Cependant, dans un sérum

physiologique, cette électrode perd son activité en quelques heures [105]. Cette perte d’activité a

été attribuée à la formation d’une liaison entre un ou plusieurs ions cuivriques de l’enzyme, avec

un produit provenant de l’oxydation de l’urée, catalysée par la BOD [115]. Cette perte d’activité

peut néanmoins être atténuée par l’ajout d’ions chlorure ou par application d’un film Nafion® sur

le catalyseur [115]. Il est également possible de stabiliser la BOD en la greffant avec des liaisons

covalentes à la surface de l’électrode comme dans le cas de la laccase [62]. Il est également

possible d’immobiliser la BOD dans un polymère constitué de Nafion® chimiquement modifié,

qui semble constituer un environnement permettant de stabiliser l’enzyme [116].

I.4 Conclusions et stratégie

Dans la littérature, les électrodes utilisées pour le dépôt enzymatique peuvent être des fils d’or

[64], des disques de graphite [89] ou bien encore des fibres de carbone [8]. L’utilisation

d’électrodes présentant de telles géométries pour réaliser une pile à combustible, entraîne une

rupture de ligne de champ. C’est pourquoi, au cours de cette étude, nous proposerons un nouveau

concept de biopile glucose/O2 basé sur l’utilisation de tubes en graphite concentriques, en tant

qu’électrodes. En effet, la géométrie de la pile ainsi constituée devrait permettre une répartition

optimale des lignes de champ.

Nous avons vu précédemment que différents types de catalyseurs (GDH, GOD, catalyseurs

métalliques) peuvent être utilisés pour oxyder le glucose. Néanmoins, la NAD dépendance de la

GDH semble entraîner une importante surtension à l’électrode. D’autre part, la stabilité limitée

de la PQQGDH [72] limite son utilisation dans une biopile glucose/O2. Lors du processus

44

d’oxydation du glucose, catalysé par la GOD, la présence de dioxygène, engendre la formation

de peroxyde d’hydrogène. De plus, la réaction d’oxydation du glucose est très clairement

cinétiquement contrôlée par la diffusion et le potentiel rédox du cofacteur FAD est de -0,36 V vs.

Ag/AgCl à pH = 7,2. Ceci signifie que l’oxydation du glucose ne peut commencer avant ca.

0,28 V vs. ERH. Si l’on reporte virtuellement cette valeur de potentiel sur les voltammogrammes

présentés sur la figure 7, il semble bien que le platine soit capable de déshydrogéner la molécule

de glucose à de plus bas potentiels (ca. 0,2 V vs. ERH). De plus, les nanomatériaux Au-Pt

présentent un effet de synergie entre l’or et le platine, effet permettant de désorber plus

rapidement les espèces adsorbées à la surface du platine, et permettant également d’augmenter

les densités de courant d’oxydation. En outre, les deux métaux semblent contribuer à la

déshydrogénation du glucose. De plus, le glucose semble s’oxyder en acide gluconique.

Cependant, les propriétés catalytiques des nanomatériaux Au-Pt dépendent fortement de leur

structure cristalline. Pour toutes ces raisons, nous privilégierons la synthèse de nanomatériaux

AuPt, la compréhension de leur structure et de leurs propriétés catalytiques afin de les utiliser en

tant que catalyseur anodique, dans la biopile glucose/O2. Mais cependant, le manque de

spécificité de ces catalyseurs rend l’anode ainsi constituée difficilement implantable. C’est

pourquoi, dans le but de développer des sources d’énergie potentiellement implantables, nous

ferons l’étude parallèle de l’oxydation du glucose catalysée par la GOD. Nous étudierons

qualitativement l’influence de différents protocoles d’immobilisation et de leurs paramètres

associés sur la réponse de l’électrode réalisée, en présence de glucose. Pour cela, nous

réaliserons des électrodes où la GOD sera immobilisée dans un film de polypyrrole obtenu par

électropolymérisation de molécule de pyrrole. Cette méthode est en effet largement décrite dans

la littérature [117]. Nous utiliserons la molécule HQS, entité commerciale présentant un potentiel

rédox apparent de 10 mV vs. ECS à pH = 7,4, en tant que médiateur électrochimique.

A la cathode de la biopile, deux enzymes sont généralement utilisées pour réduire le dioxygène

en eau. Cette enzyme peut être soit la laccase, soit la BOD. Le choix de ces enzymes s’avère

évident au regard des faibles surtensions générées lors de la réduction du dioxygène. En effet, les

surtensions observables sur les matériaux à base de platine sont bien plus importantes. De plus,

la laccase semble très peu active à des pH physiologiques en présence d’ions chlorure. Ceci rend

difficile son utilisation dans une biopile glucose/O2 destinée à être implantée dans un organisme

vivant. Cette enzyme présente cependant des propriétés de stabilité qu’il serait intéressant

45

d’explorer. Pour cela, des manipulations génétiques (mutagénèse) sur le champignon dont elle

est issue seraient nécessaires. Nous n’explorerons pas cette voie au cours de ce travail. Nous

utiliserons donc la BOD comme catalyseur cathodique. Différentes techniques d’immobilisation

de l’enzyme seront étudiées, de façon à améliorer la stabilité de celle-ci. ABTS2- sera utilisé en

tant que médiateur électrochimique car il semble que l’utilisation de cette molécule avec la BOD,

à des pH physiologiques, permet d’obtenir de bonnes performances catalytiques.

46

CHAPITRE II : PARTIE EXPÉRIMENTALE

47

II.1 Nettoyage de la verrerie

Pour les expériences de voltammétrie, il est nécessaire d’utiliser une verrerie exempte

d’impuretés organiques. Pour éliminer toutes les molécules organiques, la verrerie est tout

d’abord placée dans une solution acidifiée de permanganate (fourni par Sigma Aldrich), pendant

vingt quatre heures. A la suite de cela, la verrerie est rincée avec une solution contenant un quart

de peroxyde d’hydrogène (33 vol. % , VWR), un quart d’acide sulfurique à 96 vol. % (VWR), et

un demi d’eau ultra pure (MilliQ®, Millipore) dont la résistivité, mesurée à 25 °C, est de 18

MΩ.cm.

Les réacteurs de synthèse utilisés pour synthétiser les nanoparticules Au-Pt sont, quant à eux,

tout d’abord rincés avec des solvants organiques (acétone, éthanol, eau) afin d’éliminer les traces

résiduelles de tensioactif et d’heptane. Par la suite, ces réacteurs sont immergés deux heures dans

une solution d’eau régale, solution composée de trois volumes d’acide chlorhydrique (VWR)

pour un volume d’acide nitrique (VWR). Ceci permet d’éliminer toute présence résiduelle d’or et

de platine. En effet, la présence non contrôlée de germes métalliques peut modifier la distribution

de taille des nanoparticules synthétisées. En effet, ces germes pourraient servir de sites de

croissance pour les nanoparticules.

II.2 Synthèse des nanoparticules Au et Au-Pt

II.2.1 Synthèse des nanoparticules Au-Pt par méthode « water-in-oil microemulsion »

Dans la littérature, différents types de tensioactifs et d’oléfines sont utilisés pour réaliser la synthèse

de catalyseurs ayant la même composition et les mêmes propriétés. Ainsi, la méthode utilisée au cours

de cette étude n’est pas unique. L’oléfine utilisée ici est l’heptane (Acros Organics, 99%). En ce qui

concerne les sels métalliques, nous utilisons pour le platine H2PtCl6, 6H2O, (Alfa-Aesar 99,9%) et

pour l’or HAuCl4 (Sigma-Aldrich). De l’eau ultra-pure (MilliQ®) constitue la phase aqueuse

contenant les sels métalliques. Le tensioactif est le tétraéthylèneglycol dodécyléther (BRIJ®30,

Sigma-Aldrich, 99%). L’agent réducteur utilisé est le borohydrure de sodium (NaBH4, Acros-

Organics, 99%). La poudre carbonée choisie pour disperser les nanoparticules formées est le

48

Vulcan XC 72R (Cabot). Avant son utilisation le Vulcan XC 72R est traité thermiquement 4h à

400 °C de façon à éliminer les impuretés présentes à sa surface. Lors de la mise en œuvre de la

méthode il a été choisi d’effectuer les réactions à la température de 25 °C. Les paramètres

susceptibles de modifier les structures micellaires ont été fixés en tenant compte des travaux de la

littérature :

- Le rapport molaire n(H2O)/n(BRIJ® 30) est fixé et égal à 3,8 [18, 19, 118].

- La fraction massique de BRIJ® 30 est prise égale à 16,5% [18, 19].

- La concentration en sel métallique dans la phase aqueuse sera de 0,1 mol.L-1 [18, 19, 118].

- Le rapport molaire n(NaBH4)/n(sel métallique) est pris égal à 15 de façon à ce que le NaBH4 soit en

large excès.

Tous les échantillons sont alors préparés à l’aide de deux microémulsions :

- l’une contenant le sel métallique inclus dans la phase aqueuse, du BRIJ® 30 et du n-heptane

- l’autre contenant le sel réducteur présent dans la phase aqueuse, du BRIJ® 30 et du n-heptane.

Ces deux microémulsions sont réalisées séparément avant que la solution réductrice ne soit versée

dans la solution contenant le(s) sel(s) métallique(s). La réduction se fait alors sans agitation pendant

30 minutes à la suite desquelles le Vulcan XC 72R est ajouté. La solution est placée sous agitation

durant 2 h30 pour assurer la dispersion des nanoparticules sur le substrat carboné. Le tout est ensuite

filtrée sur filtre Millipore® 0,22 µm fourni par Fisher-Bioblock, puis rincé avec 50 mL d’acétone,

50 mL d’éthanol, puis 50 mL d’eau. La procédure de rinçage est répétée trois fois. Le catalyseur

recueilli est placé sous vide dans un dessiccateur pendant 24 h.

II.2.3 Synthèse de nanoparticules d’or par la méthode de Slot

Le protocole utilisé ici pour préparer les nanoparticules d’or est conforme à celui décrit par Slot et

col. [22]. Deux solutions sont réalisées et portées à 60 °C :

49

- l’une contenant 1 mL d’une solution aqueuse à 1% massique en HAuCl4 (Sigma-Aldrich, 99,9%)

dans 79 mL d’eau.

- l’autre contenant 4 mL d’une solution aqueuse à 1% massique en citrate de trisodium (Sigma-

Aldrich, 99,9%) et de 0 à 5 mL (selon la taille des nanoparticules souhaitée figure 4) d’une solution

aqueuse à 1% massique d’acide tannique (Sigma-Aldrich, 99,9%). Du carbonate de potassium

(K2CO3, Prolabo) est ajouté de façon à ajuster le pH de la solution entre 7,5 et 8. Toutes les solutions

aqueuses sont préparées avec de l’eau ultra-pure MilliQ® Millipore (18 MΩ.cm à 25 °C). La solution

réductrice est versée dans la solution contenant le sel d’or et le tout est porté à ébullition.

II.2.4 Préparation et dépôt des encres catalytiques

Les catalyseurs dispersés Au-Pt (synthétisés par microemulsion) sont déposés sur des embouts de

carbone vitreux. Pour cela, une encre catalytique est au préalable réalisée. Une solution

contenant 725 mg d’eau et 100 mg de Nafion® à 5% en masse dans des alcools aliphatiques

(fourni par Sigma Aldrich) est soigneusement homogénéisée. 10 mg de poudre de catalyseur sont

pesés puis ajoutés à la solution précédente. Le tout est homogénéisé sous ultrasons. 4 µL de cette

solution sont ensuite déposés sur un disque de carbone vitreux, dont la surface géométrique est

de 0,071 cm2, puis séchés sous une atmosphère d’azote. Cet embout est préalablement nettoyé au

disque abrasif, en présence d’alumine (0,3 µm).

Dans le cadre de l’étude des nanoparticules d’or synthétisées par la méthode de Slot, 20 µL de

solution colloïdale contenant les nanoparticules d’or sont déposées sur une plaque de carbone

Toray, fournie par Electrochem.inc, de surface géométrique de 1 cm2.

50

II.3 Techniques électrochimiques

II.3.1 Méthodes de caractérisation électrochimique

II.3.1.1 La voltammétrie cyclique à variation linéaire de potentiel

La voltammétrie cyclique à variation linéaire de potentiel est une méthode qui consiste à

appliquer de façon répétitive à l’électrode de travail, une tension triangulaire variant entre deux

valeurs extrêmes (Ei, Ef). Lors de la variation positive de potentiel, nous avons (Eq. 6). Lors de la

variation négative de potentiel, nous avons (Eq. 7). v est la vitesse de variation du potentiel. Les

courbes intensité-potentiel (I=f(E)) enregistrées sont appelées voltammogrammes. Lorsqu’une

réaction de transfert de charge est limitée par un phénomène de transport de matière, un

phénomène d’adsorption, ou un phénomène mixte, le tracé I=f(E) présente un pic. Par

convention, si le pic possède une intensité positive, il s’agit d’une réaction d’oxydation ; si le pic

possède une intensité négative, il s’agit d’une réaction de réduction. Le tracé de ces courbes peut

dépendre du choix des bornes Ei et Ef, la vitesse de variation du potentiel, la surface active de

l’électrode de travail, la température du milieu électrolytique, le pH de l’électrolyte, ou bien

encore la concentration des espèces électroactives en solution. Ces courbes permettent donc

d’étudier la cinétique des réactions étudiées et d’en extraire les paramètres caractéristiques

E=Ei + vt (Eq. 6)

E=Ef – vt (Eq. 7)

Pour les mesures voltammétriques, une cellule en pyrex, de volume 19 cm3 est utilisée (figure 10).

Elle est munie d’une double paroi qui permet de la thermostater par le passage d’un fluide

caloporteur.

51

ET AG

Figure 10 : Schéma de la cellule électrochimique utilisée en voltammétrie.

La cellule est munie d’un couvercle portant cinq encolures (figure 9) permettant l’introduction :

- de l’électrode de travail (ET) dont la surface est le siège des réactions électrochimiques

étudiées.

- d’un pont de Luggin (PL) permettant la prise de potentiel par l’électrode de référence (électrode

au sulfate mercureux (ESM) dont le potentiel est de 0,64 V vs. ESH ou bien par l’électrode de

référence à hydrogène (ERH) dont le potentiel est de -0,059pH à 25 °C. Cette prise de potentiel se

fait alors en évitant toute pollution de la solution électrolytique.

- de la contre-électrode en carbone vitreux (CE) permettant le passage du courant dans le circuit

extérieur. Sa surface est choisie pour qu’elle soit très supérieure à la surface de l’électrode de

travail, de façon à ne pas être limité par les phénomènes électrochimiques à la surface de cette

électrode.

- d’une arrivée de gaz (AG) (azote U) par bullage ou léchage.

- d’un barboteur permettant la sortie du gaz (SG)

Toutes les solutions électrolytiques sont préparées en utilisant de l’eau ultra pure MilliQ® obtenue

à partir de résines Millipore®. Les solutions d’acide sulfurique sont préparées à partir d’acide

ESM

CE

SG

PL

52

sulfurique Suprapur à 96% (VWR). Les solutions de soude sont obtenues à partir de pastilles de

soude fournies par Merck. Les solutions de glucose sont préparées en utilisant du D-glucose

(99,9%, Sigma Aldrich).

Les potentiostats utilisés sont soit le Voltalab PGZ 402 ou bien l’Autolab PGSTAT 302.

Lors des expériences de voltammétrie menées avec des catalyseurs enzymatiques, les courants

obtenus seront divisés par la surface géométrique des électrodes (mA.cm-2) et le milieu

électrolytique n’est pas agité. Lors des expériences de voltammétrie réalisées avec des catalyseurs

métalliques, les courants obtenus seront divisés par la masse de métal déposée sur la surface de

l’électrode (mA.mg-1), et le milieu électrolytique est agité.

II.3.1.2 La spectroscopie infrarouge de réflexion in situ à transformée de Fourier

Le dispositif utilisé est un spectromètre IFS 66v FTIR Bruker. Le spectromètre est équipé de

source infrarouge, d’un diaphragme, d’un détecteur HgCdTe refroidi à l’azote liquide et d’un

interféromètre de Michelson. Ce dernier comporte une lame séparatrice en KBr, un miroir fixe et

un autre mobile. La radiation infrarouge qui rentre dans l’interféromètre est divisée par la lame

séparatrice en deux faisceaux. Suivant la position du miroir mobile, les ondes issues de chacun

des deux faisceaux se recombinent de manière constructive ou destructive. L’interaction du

rayonnement avec la surface de l’électrode permet de mettre en évidence les modes de vibration

actifs des molécules adsorbées à la surface de l’électrode ou présentes en son voisinage. La

méthode utilisée pour le suivi in situ de l’oxydation du CO sur catalyseur Au-Pt est la suivante :

- Bullage et adsorption de CO à un potentiel de 0,1 V vs. ERH pendant dix minutes.

- Dégazage de la solution électrolytique par bullage d’azote de qualité U, pendant quinze

minutes. Au cours de cette étape, le potentiel de l’électrode de travail est maintenu à 0,1 V vs.

ERH.

- Les réflectivités sont enregistrées tous les 100 mV par accumulation d’un grand nombre

d’interférogrammes traités par la suite par transformée de Fourier. La résolution du spectromètre

est de 4 cm-1.

- Les spectres finaux, pour ces expériences, sont exprimés en terme de variation relative de

réflectivité (∆R/R) calculée selon l’équation 8

Où Rt est la réflectivité prise au temps t, et

(référence CO adsorbé) ou lorsque le CO est oxydé (référence CO oxydé).

La cellule spectroélectrochimique (cf. figure 11) utilisée est une

électrodes, dont la géométrie est adaptée à l’appareillage spectrochimique. Elle comprend une

contre-électrode et une électrode de travail

diamètre. Cette électrode est placée à

de calcium (CaF2), transparente au rayonnement infrarouge entre 1000 et 3000 cm

Figure 11 : Cellule spectroélectrochimique utilisée en spectroscopie infrarouge de réflexion

in-situ

II.3.1.3 Test en pile

Lors des tests en pile, des paliers de courants seront imposés à la pile et la valeur de la

différence de potentiel entre cathode et anode sera enregistrée pour chaque palier de courant.

53

Les spectres finaux, pour ces expériences, sont exprimés en terme de variation relative de

ée selon l’équation 8 :

0

0

t t

t

R RR*100

R R

−∆ =

(Eq. 8)

est la réflectivité prise au temps t, et 0t

R est la réflectivité prise au temps initiale

(référence CO adsorbé) ou lorsque le CO est oxydé (référence CO oxydé).

La cellule spectroélectrochimique (cf. figure 11) utilisée est une cellule classique à trois


électrode de travail constitué d’un disque de carbone vitreux de 8 mm de

diamètre. Cette électrode est placée à l’intérieur de la cellule, équipée d’une fenêtre en fluorure

), transparente au rayonnement infrarouge entre 1000 et 3000 cm

Cellule spectroélectrochimique utilisée en spectroscopie infrarouge de réflexion

Test en pile



Les spectres finaux, pour ces expériences, sont exprimés en terme de variation relative de

est la réflectivité prise au temps initiale

cellule classique à trois


disque de carbone vitreux de 8 mm de

l’intérieur de la cellule, équipée d’une fenêtre en fluorure

), transparente au rayonnement infrarouge entre 1000 et 3000 cm-1 [119].

Cellule spectroélectrochimique utilisée en spectroscopie infrarouge de réflexion



Les valeurs de courants obtenues seront divisés par la surface géom

4,4 cm-2).

II.4 Caractérisation physique des catalyseurs synthétisés

II.4.1 La diffraction des rayons X en transmission

Les expériences de diffraction des rayons X (DRX) ont été menées

spécialement conçue pour l’étude des nanomatériaux métalliques supportés. Un schéma de cette

cellule est donné sur la figure 12.

Figure 12 : Cellule utilisée pour les études DRX. Selon Vogel

Cette cellule permet de placer côte à côte sur deux porte

nanomatériaux synthétisés (nanoparticules Au

1 En collaboration avec le Pr. W. Vogel

54

Les valeurs de courants obtenues seront divisés par la surface géométrique de l’anode (

II.4 Caractérisation physique des catalyseurs synthétisés

II.4.1 La diffraction des rayons X en transmission

Les expériences de diffraction des rayons X (DRX) ont été menées


cellule est donné sur la figure 12.

Cellule utilisée pour les études DRX. Selon Vogel

Cette cellule permet de placer côte à côte sur deux porte-échantillons différents les

nanomatériaux synthétisés (nanoparticules Au-Pt supportées sur carbone Vulcan XC 72

En collaboration avec le Pr. W. Vogel

étrique de l’anode (i.e.

Les expériences de diffraction des rayons X (DRX) ont été menées1, dans une cellule


Cellule utilisée pour les études DRX. Selon Vogel [120]

échantillons différents les

e Vulcan XC 72R) et le

support carboné (Vulcan XC 72

recueillir l’intensité diffractée, à la fois par l’échantillon et le support. Ceci est rendu possible par

un échange des positions des deux po

cellule, parallèlement à la surface de l’échantillon.

Cette cellule est couplée à une chambre de

principe est donné par la figure 13.

Figure 13 : Fonctionnement de principe du diffractomètre de Guinier

L’utilisation d’un monochromateur en Germanium de type Johansson permet de résoudre le

doublé 1 2

K Kα α− du cuivre, et de travailler avec un rayonnement monochromatique de longueur

d’onde 0,15406 nm. Le montage de Guinier est utilisé dans notre cas, en configuration de type

soustraction, qui permet d’avoir la meilleure résolution angulaire. Le diffractomètre

mode transmission dissymétrique. L’angle entre le rayonnement incident et la normale à

l’échantillon est fixé à 45 °C. Le détecteur utilisé est un détecteur ponctuel à scintillation qui se

déplace sur le cercle de focalisation. L’enregistre

montré sur la figure 14.

55

support carboné (Vulcan XC 72R). Cett disposition permet, lors de chaque pas angulaire, de


un échange des positions des deux porte-échantillons, par un déplacement de l’ensemble de la

cellule, parallèlement à la surface de l’échantillon.

Cette cellule est couplée à une chambre de type Guinier, de marque Huber dont le schéma de

principe est donné par la figure 13.

Fonctionnement de principe du diffractomètre de Guinier


du cuivre, et de travailler avec un rayonnement monochromatique de longueur


soustraction, qui permet d’avoir la meilleure résolution angulaire. Le diffractomètre



déplace sur le cercle de focalisation. L’enregistrement des diffractogrammes se fait comme

disposition permet, lors de chaque pas angulaire, de


échantillons, par un déplacement de l’ensemble de la

de marque Huber dont le schéma de

Fonctionnement de principe du diffractomètre de Guinier [121]


du cuivre, et de travailler avec un rayonnement monochromatique de longueur


soustraction, qui permet d’avoir la meilleure résolution angulaire. Le diffractomètre est utilisé en



ment des diffractogrammes se fait comme

Figure 14

II.4.2 La microscopie électronique en transmission

Les analyses par microscopie électronique à transmission ont été réalisées au

Grenoble. Un microscope de type JEOL 3010, un autre de type JEOL 4000EX et un Titan de

marque FEI ont été utilisés.

Au cours de cette étude, deux modes d’obtention d’images ont été utilisés

- la microscopie électronique en transmission convent

- la microscopie électronique en transmission à haute résolution.

Les images obtenues en microscopie conventionnelle

particules synthétisées. Les images obtenues en haute résolution vont

d’examiner les arrangements atomiques

défauts volumiques (mâcles, fautes d’empilement), et l’arrangement des atomes à la surface des

nanoparticules.

56

: Représentation schématique du montage utilisé

II.4.2 La microscopie électronique en transmission

Les analyses par microscopie électronique à transmission ont été réalisées au


Au cours de cette étude, deux modes d’obtention d’images ont été utilisés :

la microscopie électronique en transmission conventionnelle.

la microscopie électronique en transmission à haute résolution.

en microscopie conventionnelle permettent d’observer la taille des

particules synthétisées. Les images obtenues en haute résolution vont, quant à elles

iner les arrangements atomiques au sein des nanoparticules. Ceci permettra d’étudier les

, fautes d’empilement), et l’arrangement des atomes à la surface des

Représentation schématique du montage utilisé

Les analyses par microscopie électronique à transmission ont été réalisées au Minatec à


:

permettent d’observer la taille des

quant à elles, permettre

au sein des nanoparticules. Ceci permettra d’étudier les

, fautes d’empilement), et l’arrangement des atomes à la surface des

57

Lors des expériences en microscopie électronique en transmission conventionnelle, seule le

mode champ clair a été utilisé. Le fonctionnement du microscope dans ce mode est décrit sur la

figure 15 :

Figure 15 : Schéma de principe d’un microscope électronique en transmission opérant en mode

champ clair

Différents éléments (cf. figure 15) interviennent pour la formation de l’image en mode champ

clair. Dans notre cas, le canon à électrons est un canon à émission de champ, dont le principe

consiste à utiliser une cathode métallique en forme de pointe, et appliquer une tension importante

entre la pointe et l’anode. Les électrons sont alors extraits de l’anode. Les électrons issus du

canon passent dans un système de lentilles et de diaphragmes (condenseurs). Ce système sert à

contrôler la convergence du faisceau et ainsi, à illuminer l’échantillon d’épaisseur très faible

Lentilles de projection

Lentilles intermédiaires

Diaphragme de sélection d’aire

Diaphragme objectifLentille objectifEchantillon

Système condenseur

Canon à électrons

Ecran

58

avec un ensemble de faisceaux parallèles. L’échantillon est réalisé à partir des poudres

catalytiques. Dans un premier temps, une suspension est réalisée par sonication d’une solution

contenant la poudre catalytique et de l’éthanol anhydre. Les nanoparticules sont collectées en

trempant un support carboné de type Lacey dans la suspension. Ceci constitue l’échantillon

examiné. Les électrons traversent alors l’échantillon. Certains électrons du faisceau dont la

trajectoire se rapproche d’un atome de l’échantillon sont déviés, conduisant à la formation de

faisceaux diffractés. Ces faisceaux sont éliminés par le diaphragme objectif. L’intensité de l’onde

diffusée dépend de plusieurs paramètres comme la nature des atomes constituant la zone

observée, ou l’orientation du cristal par rapport au faisceau. Les variations de ces facteurs

produisent le contraste de l’image. Ainsi, en champ clair, les régions à faible diffusion (zone

présentant des atomes légers…) donnent une image claire. Par la suite, un système de lentilles et

de diaphragmes permet la formation de l’image sur l’écran.

En mode haute résolution, l’obtention de l’image est basée sur le principe du contraste de phase.

Elle résulte des interférences entre toutes les ondes diffractées et/ou transmises par les atomes de

l’échantillon. L’image représentée est la projection des colonnes atomiques suivant la direction

de propagation des électrons incidents.

II.4.3 La spectroscopie de dispersion d’énergie des rayons X

Ces analyses ont été effectuées avec le microscope Titan, de marque FEI. Ce microscope est

équipé d’un détecteur au silicium à diffusion, dopé au lithium. Ce microscope est capable de

fonctionner avec une nanosonde permettant d’analyser la composition chimique élémentaire

d’une seule nanoparticule isolée.

La technique est fondée sur l’interaction des photons X émis avec le détecteur. Ces photons X

sont émis à la suite de l’interaction des électrons incidents avec les atomes de l’échantillon. Le

spectre d’émission est caractéristique du matériau étudié, et ne dépend que de la nature des

éléments présents. Cette technique permet donc d’identifier au sein de l’échantillon la nature des

éléments présents. De plus, la composition chimique du matériau étudié peut être déterminée de

manière semi-quantitative.

59

II.4.4 L’analyse thermique différentielle et gravimétrique

L’analyse thermogravimétrique permet de suivre la décomposition d’un échantillon, en fonction

de la température. Nous l’utiliserons pour étudier la décomposition thermique de nos catalyseurs

sur une gamme de température où la masse de la partie métallique du catalyseur ne varie pas.

Ceci permettra de déterminer les taux de charges réels des catalyseurs synthétisés.

Les mesures sont effectuées à l’aide d’un appareil de type SDT Q600, de marque TA

INSTRUMENTS. Pour les mesures, une masse d’environ 5 mg de catalyseur est placée à

l’intérieur d’un creuset en alumine. Un deuxième creuset, identique au premier, sert de référence.

Ces deux creusets sont introduits dans un four qui permettra de réaliser une montée de

température linéaire de 10 °C.min-1. Cette rampe de température s’établira entre 20 et 800 °C. La

variation de masse du creuset au cours de la manipulation est évaluée en continu à l’aide d’une

microbalance.

II.4.5 Spectrophotométrie UV-visible

Cette technique a permis de mesurer l’activité enzymatique. Une unité d’activité notée U

correspond à la formation de 1 µmole de produit en une minute.

Pour la BOD, l’activité est mesurée dans un tampon phosphate 0,1 M, de pH = 7, à la

température de 30 °C. Le but de la manipulation est de suivre la vitesse de la réaction

d’oxydation de 1 mM ABTS2- en ABTS.-. Pour cela, l’augmentation d’absorbance due à la

formation de ABTS.- est suivie à 420 nm. Le coefficient d’extinction molaire de ABTS.- à 420

nm est de 36000 mol-1.cm-1.L.

La GOD catalyse l’oxydation du β-D-glucose en acide gluconique. Cette réaction s’accompagne

de la réduction du dioxygène en peroxyde d’hydrogène, qui peut lui-même se réduire en utilisant

la peroxydase, en présence d’ABTS2-. Les produits de cette réaction sont l’eau et l’ABTS.-.

L’activité de la GOD est mesurée en regardant la vitesse d’oxydation de 1,7 mM d’ABTS2- en

présence de 3,4 U.mL-1 de peroxydase, à 30 °C en milieu tampon phosphate de pH = 7. La

60

réaction commence avec l’addition de 817 µL de solution de glucose à 1,1 M. La concentration

de glucose dans la cellule est donc de 0,3 M.

II.4.7 Conclusion

Au cours de l’étude que nous allons réaliser, la synthèse de nanomatériaux par microémulsion

permettra l’obtention de nanoparticules dont nous étudierons les différentes propriétés. Nous

tenterons en effet de lier les propriétés physiques des matériaux avec leurs propriétés

catalytiques. L’analyse par diffraction des rayons X permettra de mettre en évidence le paramètre

de maille de ces structures. De plus, un traitement mathématique réalisé sur les pics des

diffractogrammes permettra d’en extraire la largeur intégrale (surface nette divisée par la hauteur

nette du pic de diffraction). A partir de cette grandeur, des diagrammes de Williamson-Hall

seront tracés. L’analyse de ces diagrammes permettra de calculer la taille normée au volume des

particules, les contraintes internes moyennes au sein des particules ainsi que la probabilité de

défauts d’empilement présentés par ces matériaux. Ces grandeurs, n’étant obtenues que par

simulation, il est nécessaire de tenter de corréler qualitativement ces valeurs avec l’observation

directe des nanomatériaux. Pour cela, des clichés de microscopie électronique en transmission

haute résolution ont été effectués. Ces clichés permettront de comprendre l’origine des

contraintes moyennes calculées. De plus, ces photos permettront de mettre en évidence certaines

formes de nanoparticules. Les clichés basse résolution permettront d’estimer la taille des

particules. Nous pourrons ainsi vérifier, par une étude statistique, si l’ordre de grandeur des

valeurs calculées par diffraction des rayons X est correct. L’analyse de composition chimique

réalisée par spectroscopie de dispersion d’énergie des rayons X permettra de comparer la

composition d’une nanoparticule avec celle de l’échantillon global. Ceci permettra de conclure

sur l’homogénéité de l’échantillon. La comparaison des valeurs précédemment obtenues avec

celles calculées par spectroscopie de photoélectrons de rayons X et par voltammétrie cyclique

permettra de conclure sur les éventuels effets d’enrichissement de la surface des nanoparticules

en platine. Les hypothèses concernant le calcul de composition de surface par intégration des

pics de désorption des oxydes d’or et de platine en voltammétrie cyclique seront corrélées avec

d’autres méthodes voltammétriques (intégration de la zone hydrogène du platine, CO stripping).

61

L’hypothèse selon laquelle le CO ne s’oxyde pas sur l’or au sein des nanostructures Au-Pt sera

vérifiée par spectroscopie infrarouge de réflexion in situ. Afin de vérifier l’effet de la taille de

clusters d’or sur l’électrooxydation du CO, des nanoparticules d’or de taille 3 nm seront

synthétisées par la méthode dite de Slot. Toutes ces études permettront de comprendre les effets

électroniques présents dans les matériaux Au-Pt ainsi que la structure et la composition de leur

surface. Dans un second temps, l’électrooxydation du glucose sur ces matériaux sera étudiée par

des méthodes électrochimiques (voltammétrie et chronoampérométrie). Dans un troisième temps,

la voltammétrie linéaire nous permettra d’étudier qualitativement l’effet de différents paramètres

sur des électrodes enzymatiques constituées de GOD ou BOD. L’activité de ces électrodes sera

suivie au cours du temps par spectrophotométrie UV-visible.

62

CHAPITRE III : SYNTHÈSE ET CARACTÉRISATION

DES NANOMATÉRIAUX OR-PLATINE

63

L’intérêt de l’électrocatalyse est d’abaisser l’énergie d’activation d’une réaction chimique par

transfert d’électrons à la surface d’un matériau catalytique, pour transformer une espèce

électroréactive. Ce phénomène a lieu sous contrôle de potentiel et son mécanisme est illustré par

la figure 16 :

Figure 16 : Représentation schématique du mécanisme de Langmuir-Hinshelwood

Ce processus réactionnel dépend de la nature, de la morphologie, du nombre de sites actifs, ainsi

que de la structure cristalline du matériau. De plus, l’activité catalytique est souvent modifiée par

l’utilisation de matériaux nanostructurés, matériaux possédant une forte énergie de surface. Il est

donc nécessaire de caractériser les nanomatériaux synthétisés et de mettre en évidence leurs

propriétés structurales. Pour cela, des caractérisations à l’aide de méthodes physico-chimiques

sont nécessaires.

III.1 Caractérisation physique des nanoparticules d’or-platine

Des nanoparticules d’or-platine (Au-Pt) ont été synthétisées par la méthode « water-in-oil

microemulsion ». Dans cette partie, nous allons nous intéresser à l’étude structurale de ces

nanomatériaux. Ainsi, nous ménerons une étude par diffraction des rayons X en transmission, par

microscopie électronique en transmission (clichés basse et haute résolution), et par spectroscopie

de photoélectrons de rayons X. Les résultats obtenus avec ces différentes techniques seront

ensuite corrélés à ceux obtenus grâce à l’étude électrochimique de la surface des électrodes

Au-Pt.

Electrode

A

Adsorption

A B

B

Désorption

64

III.1.1 Etude du paramètre de maille des catalyseurs bimétalliques Au-Pt

L’étude du paramètre de maille des différentes compositions de catalyseurs Au-Pt est réalisée par

diffraction des rayons X en transmission (expériences réalisées par le Pr. W. Vogel). Sur les

diffractogrammes présentés, la contribution du signal dû au support (Vulcan XC-72R) a été

soustraite. L’intensité diffractée par un échantillon polycristallin s’écrit [121] (équation 9) :

2hkl hkl

hkl e 2c

n F1I I LADdV

8 R sin Vπ θ

=

(Eq. 9)

avec Ie, l’intensité donnée par la formule de Thomson, θ l’angle de Bragg, R la distance entre le

cristal et le détecteur, nhkl le nombre de familles de plans équivalentes pour un triplé (hkl) donné,

Vc le volume de la maille, Fhkl le facteur de structure, dV le volume de l’échantillon, L le facteur

de polarisation de Lorentz, A le facteur d’absorption et D le facteur de Debye-Waller. Dans la

suite, les facteurs d’absorption et de polarisation ont été corrigés pour chacun des

diffractogrammes. A titre d’exemples, nous montrons sur la figure 17 les diffractogrammes

obtenus avec des nanoparticules de composition Au, Au70Pt30 et Pt. Ces diffractogrammes sont

tracés en fonction de b (la grandeur de l’espace réciproque). La valeur de b est donnée par

l’équation 10 :

2sinb

θλ

= (Eq. 10)

avec θ l’angle de Bragg et λ la longueur d’onde du rayonnement X (λ = 0,15406 nm)

65

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Inte

nsité

/ c.

s-1

b / Å-1

(111)

(200) (220)(311)

(222)

1000 c.s-1

Au

Au70

Pt30

Pt

Figure 17 : Diffractogrammes obtenus (de haut en bas) avec des nanoparticules de composition

Au, Au70Pt30, Pt supportées sur Vulcan XC-72 R.

A partir de ces diffractogrammes, il est possible de calculer la valeur du paramètre de maille (a)

de la structure cubique à faces centrées des catalyseurs Au-Pt d’après les équations 11 et 12 :

hkl2d sin nθ λ= (Eq. 11)

√ (Eq. 12)

n étant l’ordre de diffraction et h,k,l les indices de Miller.

Les diffractogrammes précédents montrent que la position des pics de diffraction obtenus sur

l’échantillon de composition Au70Pt30 est intermédiaire entre la position des pics de diffraction

de l’or et la position des pics de diffraction du platine. Ceci indique clairement que le paramètre

de maille, a, de l’échantillon Au70Pt30 est à la fois différent du paramètre de maille de l’or et de

celui du platine. L’évolution de la valeur de a, en fonction de la teneur en or, est présentée sur la

figure 18 :

66

0 20 40 60 80 100

3,90

3,92

3,94

3,96

3,98

4,00

4,02

4,04

4,06

4,08

Par

amèt

re d

e m

aille

/ Å

% at. Au

Darling et col. Points expérimentaux Loi de Végard

Figure 18 : Paramètres de maille expérimentaux obtenus pour les nanoparticules Au-Pt

synthétisées. Comparaison avec les valeurs de la littérature données par Darling et col.[122]

La figure 18 montre très clairement un effet de contraction du réseau cristallin dans le cas des

nanoparticules de platine. En effet la valeur du paramètre de maille calculé pour ce matériau est

de 3,903 Å. La valeur obtenue par Darling et col. avec du platine massif est quant à elle de

3,9154 Å [122]. Cet effet de contraction a déjà été visualisé par de nombreux auteurs [123-126]

lors de l’étude de matériaux. Ils expliquent cet effet par la taille des nanomatériaux synthétisés.

En effet, lorsque la taille des nanomatériaux devient de l’ordre de 3 nm, la contrainte à la surface

des nanomatériaux entraîne une compression du réseau cristallin. Cet effet est de plus en plus

important à mesure que le ratio entre atomes de surface et atomes de volume augmente au sein

d’une nanoparticule. L’effet de contraction serait dû à la diminution du nombre de plus proches

voisins des atomes de surface. Cela entraînerait une distribution des électrons de valence dans un

nombre plus faible de liaisons métalliques [127]. Pour l’échantillon de composition nominale

Au30Pt70, une importante déviation à la loi de Végard est observée. En effet, l’échantillon semble

avoir une composition apparente de 45% d’or, ce qui peut être expliqué par un enrichissement du

cœur de la particule en or. De tels effets peuvent modifier la valeur du paramètre de maille

calculé par diffraction des rayons X [128]. Dans le cas des échantillons de compositions

nominales Au70Pt30 et Au80Pt20, le paramètre de maille calculé est en accord avec la loi de

67

Végard. Il semble donc que pour ces compositions, il n’y ait pas d’effet de contraction du

paramètre de maille. Cela peut être dû à une taille de nanoparticules plus importante que dans le

cas du platine. Cet accord peut aussi s’expliquer par une incertitude concernant la stœchiométrie

des nanoparticules alliées. Néanmoins, à ce stade de la discussion, les résultats obtenus

convergent vers la formation de structures alliées. Pour ce qui est des nanoparticules d’or, la

valeur du paramètre de maille calculée (4,064 Å) correspond parfaitement à celle déterminée sur

l’or massif. Cet accord parfait est une indication concernant la taille des particules. En effet, on

est en droit de supposer, à ce stade de la discussion, que la taille moyenne des nanoparticules

d’or synthétisées est telle que le ratio entre atomes de surface et atomes de volume est beaucoup

plus faible que dans le cas des nanoparticules de platine.

III.1.2 Etude des défauts cristallins présents dans les nanoparticules Au-Pt

III.1.2.1 Simulation des diffractogrammes

Les diffractogrammes présentés sur la figure 17 font l’objet d’une simulation pic par pic. Ainsi,

le profil de chaque raie est simulé par une fonction f(b) de type PearsonVII donnée par l’équation

13 et déjà utilisée par Vogel et col. [129].

4

1K

2 3

Kf (b)

[1 K (b K )]=

+ − (Eq. 13)

Les diffractogrammes simulés sont présentés sur la figure 19.

68

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Inte

nsity

/ c.

s-1

b / Å-1

2000 c.s-1

Figure 19 : Simulation des diffractogrammes de nanoparticules Au, Au70Pt30, et Pt (de haut en

bas). Les profils expérimentaux sont présentés en pointillés noir et les profils simulés en rouge.

La fonction de type Pearson VII comprend quatre paramètres K1, K2, K3 et K4 avec 1 < K4 < ∞.

Lorsque la valeur de K4 est proche de 1, le profil de raie peut être supposé Lorentzien ; lorsque

celui-ci tend vers l’infini, le profil de raie est supposé Gaussien. Dans notre cas, la valeur

expérimentale de K4 est comprise entre 1 et 2, ce qui justifie l’approximation Lorentzienne sur

les profils des raies de diffraction. Pour la simulation, la valeur de K4 sera fixée à 1,5 et les autres

paramètres seront extraits par l’utilisation d’un algorithme de Lewenberg-Marquardt, permettant

ainsi de calculer la largeur intégrale de chaque raie de diffraction.

La largeur intégrale des pics de diffraction est le résultat d’un effet de taille des cristaux, de

fautes d’empilement ou bien encore de microdéformations [121]. Ainsi, la largeur intégrale des

pics de diffraction (db) s’exprime comme le produit de convolution de la largeur intégrale due à

la taille des cristallites (dbtaille), de la largeur intégrale due à la présence de fautes d’empilement

(dbfe), de la largeur intégrale due à la présence de microdéformations (dbσ). Le produit de

convolution de deux fonctions lorentziennes est une fonction de Lorentz. De plus, la largeur

intégrale de cette fonction s’exprime comme la somme des largeurs intégrales des deux fonctions

69

de Lorentz utilisées lors du produit de convolution [121]. Dans notre cas, db peut s’écrire selon

l’équation 14.

taille fedb db db dbσ= + + (Eq. 14)

Les expressions de dbtaille, dbfe et dbσ déjà rapportées dans la littérature [129, 130], peuvent être

décrites par les équations 15, 16, 17.

taillev

1db

L=

(Eq. 15)

hklfe

Vdb

a

α= (Eq. 16)

hkl

2 bdb

Eσσ=

(Eq. 17)

avec Lv la taille des domaines cristallins normée au volume, α la probabilité de fautes

d’empilement, Vhkl un paramètre dépendant des indices de Miller h,k,l, σ la contrainte interne

moyenne, Ehkl le module de Young. La largeur intégrale des pics de diffraction s’écrit alors selon

l’équation 18.

hkl

v hkl

V1 2 bdb

L a E

α σ= + + (Eq. 18)

Les valeurs de Lv, α et σ seront déduites des diagrammes de Williamson-Hall obtenus avec les

différentes compositions de nanoparticules Au-Pt. Notons que dans l’équation 18,

l’élargissement des raies de diffraction lié aux effets de taille et aux fautes d’empilement ne

semble pas dépendre de la raie de diffraction considérée. Par contre, l’élargissement dû aux

microcontraintes semble, lui, en dépendre. Les diagrammes expérimentaux et simulés obtenus

avec des nanoparticules d’or et de composition Au30Pt70 sont donnés à titre d’exemple sur la

figure 20.

70

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0,020

0,025

0,030

0,035

0,040

0,045

0,050

db /

Å-1

b / Å-1

(111)

(200)

(220)

(311)

(222)

Figure 20 : Représentation des diagrammes de Williamson-Hall expérimentaux () et simulés

() obtenus avec les échantillons de composition Au30Pt70 et Au (de haut en bas).

Une bonne corrélation entre les points expérimentaux et simulés est observée. Les diagrammes

de Williamson-Hall précédents semblent indiquer que selon la direction d’empilement des plans

(111), l’élargissement des raies de diffraction est à la fois dû à la taille des cristallites et aux

microdéformations qu’elles contiennent. Les larges variations de la largeur intégrale des pics de

diffraction ne peuvent pas être seulement expliquées par un effet de taille des cristallites. Les

nanoparticules métalliques synthétisées doivent présenter de nombreuses microdéformations

dont l’intensité varie conformément à l’élasticité anisotrope en fonction des directions

cristallographiques considérées [131]. De plus ces particules doivent présenter une probabilité de

défauts d’empilement élevée traduisant la probabilité de rupture de l’empilement classique

ABCABC présenté par les structures cubiques à faces centrées. Des études précédentes montrent

que de telles fluctuations, en ce qui concerne la largeur intégrale des pics de diffraction, peuvent

être associées à ces défauts [129, 131, 132].

Les valeurs de α, σ et Lv extraites à partir du diagramme de Williamson-Hall sont présentées

dans le tableau 2.

71

Au (%) Lv (nm) α (%) σ (N.mm-2)

0 3,5 1,8 170

30 4,0 5,4 460

70 4,3 7,4 490

80 5,0 8,2 510

100 9,4 5,1 160

Tableau 2 : Valeurs de α, σ et Lv en fonction du pourcentage en or dans la composition

nominale de l’échantillon.

La première remarque concerne les valeurs de Lv. En effet, la taille normée au volume des

cristallites augmente avec le pourcentage d’or présent dans l’alliage. Cela laisse supposer que la

cinétique de réduction du sel d’or utilisé en microémulsion est très rapide. La nucléation aurait

alors lieu rapidement et l’étape de croissance des particules sur les germes d’or serait également

rapide. La seconde constatation concerne les valeurs de α et σ. En effet, pour l’or (α = 5,1% et

σ = 160 N.mm-2) et le platine (α = 1,8% et σ = 170 N.mm-2), ces valeurs sont faibles comparées à

celles obtenues pour les matériaux bimétalliques. Ces valeurs étant extraites par simulation, il est

donc nécessaire de corréler qualitativement leur évolution pour les différentes compositions de

nanoparticules Au-Pt avec l’observation directe des particules en microscopie électronique en

transmission à haute résolution (METHR). Cela permettra en effet d’identifier l’origine de σ et

de vérifier l’évolution de α en fonction du pourcentage d’or dans la composition nominale des

matériaux bimétalliques. L’ordre de grandeur de Lv pourra aussi être vérifié par comparaison

avec les tailles estimées des particules à partir des clichés obtenus en basse résolution.

72

III.1.2.2 Interprétation des grandeurs calculées.

III.1.2.2.1 Observation METHR des nanoparticules de platine

La figure 21 présente des particules de platine observées selon l’axe de zone <011>. Ces

particules sont représentatives de l’ensemble des particules de l’échantillon observé.

Figure 21 : Clichés de nanoparticules de platine obtenus en mode haute résolution. Les

particules sont imagées selon l’axe de zone <011>.

Les particules de la figure 21 ne présentent pas de défauts de type macles. Par contre ces

particules sont très facettées. Les facettes sont préférentiellement orientées selon les plans (100)

et (111) et présentent de nombreuses marches atomiques (S). La formation des facettes a pour

but de limiter l’énergie de surface des particules en orientant celle-ci selon des plans

cristallographiques de bas indices de Miller. Les énergies de surface (γ) associées aux différents

plans cristallographiques du platine sont décrites ainsi : γ(111) < γ(100) < γ(110) [133]. Cet

ordre justifie pleinement, d’un point de vue thermodynamique, la formation préférentielle de

facettes (111) et (100) à la surface de nanoparticules de platine. La forme classique des

nanoparticules de platine observées est l’octaèdre tronqué ce qui correspond à la forme

d’équilibre thermodynamique des métaux cristallisant selon un système de type cubique à faces

2 nm

2 nm

SS

73

centrées [134]. Les particules adoptant cette forme thermodynamique montrent en surface des

plans de type (111) et (100). Pour ces particules, l’absence de défauts volumiques ainsi que la

contraction du paramètre de maille des nanoparticules (cf. figure 18) laissent imaginer que la

contrainte moyenne interne, σ, calculée par diffraction des rayons X est majoritairement

d’origine isostatique.

III.1.2.2.2 Observation METHR des nanoparticules de composition nominale Au70Pt30, Au80Pt20 et Au

La figure 22 présente une photographie obtenue par microscopie électronique en transmission à

haute résolution d’une nanoparticule de composition nominale Au70Pt30 et d’une nanoparticule

d’or. Ces deux échantillons ont été choisis car ils permettent d’illustrer les défauts présents au

sein des particules (fautes d’empilement (FE), macles (M)). De plus, les particules présentées sur

la figure 21 ont été fréquemment rencontrées lors de l’observation des nanoparticules de

composition nominale Au70Pt30 et Au80Pt20.

Figure 22 : Clichés de nanoparticules Au70Pt30 (à gauche) et Au (à droite) obtenus en mode

haute résolution. Les particules sont imagées selon l’axe de zone <011>.

2 nm

100

11

1

SS

M

2 nm

FE

74

Aucune étude quantitative visant à dénombrer le pourcentage de particules présentant des macles

(M) et des fautes d’empilement (FE) pour les différentes compositions de nanoparticules Au-Pt

n’a été menée. Néanmoins, il ressort des observations que les particules présentant le plus de

macles et de fautes d’empilement sont celles de compositions nominales Au70Pt30 et Au80Pt20.

Ainsi, la valeur de α déterminée par diffraction des rayons X semble correspondre, au moins

d’un point de vue qualitatif, à une réalité physique. L’apparition de macles dans un cristal résulte

de la mise en commun par deux grains, d’un plan cristallographique. Ainsi la structure d’un grain

est la réflexion miroir de l’autre par le joint de macle (M). L’apparition de fautes d’empilement

est quant à elle, due à une distorsion de la séquence d’empilement des plans atomiques. Dans les

nanocristaux, la formation de macles et de fautes d’empilement est probablement liée aux

importantes énergies de déformation présentes dans le volume de la particule [133]. Pour les

nanoparticules de composition A70Pt30 et Au80Pt20, les valeurs élevées de σ et α calculées par

diffraction des rayons X ainsi que la présence de nombreuses macles et fautes d’empilement

(observées par METHR) conduisent à penser que la contrainte moyenne interne calculée

représente principalement une contrainte de cisaillement.

Comme dans le cas des nanoparticules de platine, les nanoparticules Au et Au-Pt, présentent

majoritairement des facettes de types (111) et (100) et de nombreuses marches atomiques en

surface (S). Les particules ne contenant pas de macles ont tendance à avoir la forme d’un

octaèdre tronqué présentant divers degrés de troncature. Les nanoparticules qui contiennent des

macles tendent quant à elles, vers des formes décaèdriques ou icosaédriques, ce qui correspond à

ce qui est déjà connu de la littérature [135, 136]. Ces formes résultent de la jonction de tétraèdres

élémentaires par l’intermédiaire de macles. Il est cependant nécessaire d’inclure des contraintes

au sein des particules de façon à « remplir l’espace ». La présence de ces contraintes permet en

effet la déformation élastique du cristal [137, 138].

III.1.2.2.3 Taille des particules et dispersion.

Dans cette partie, nous nous efforcerons de vérifier la réalité physique du paramètre Dv calculé

par diffraction des rayons X. La taille estimée en microscopie électronique en transmission

75

(MET) correspond au diamètre de Féret des particules isolées. Un exemple de clichés utilisés

pour le comptage des nanoparticules est donné sur la figure 23.

Figure 23 : Clichés de microscopie électronique en champ clair obtenus avec des nanoparticules

de composition nominale Pt (A), Au30Pt70 (B), Au80Pt20 (C) et Au (D)

Sur ces clichés, il est clairement visible que les nanoparticules semblent s’agglomérer plutôt que

de rester à l’état isolé. Dans les agglomérats formés, il est difficile d’individualiser chaque

particule. C’est la raison pour laquelle nous ne prendrons pas en compte les particules

agglomérées. Dans la suite nous supposerons simplement qu’un agglomérat représente un

20 nm20 nm

20 nm

A B

C D

76

ensemble de particules isolées ce qui peut constituer, notamment en terme d’activité catalytique,

une hypothèse quelque peu réductrice.

L’établissement de la distribution de taille se fait par comptage de 600 particules dans chaque

cas. La largeur des classes de particules est fixée à 0,5 nm. Cette valeur est choisie arbitrairement

mais de façon à ce qu’elle soit supérieure à la limite de résolution de l’appareil utilisé (0,35 nm).

Le diamètre de Féret des nanoparticules est calculé à l’aide du logiciel libre ImageJ®. Une

simulation des différentes distributions de taille obtenues est réalisée en utilisant une loi de type

log-normale [139], ce qui suppose que l’on ait des nanoparticules de forme sphérique. (équation

19). Il a, en outre, déjà été montré que de nombreuses synthèses de nanoparticules conduisaient à

ce type de distribution de taille [140].

2

m,p

dln ( 1 c)

D1f (d) exp

2ln(1 c)d 2 ln(1 c)π

− + =

+ + (Eq. 19)

d est le diamètre des particules et Dm,p la taille moyenne des particules supposées sphériques. La

grandeur c est définie selon l’équation 20

v

s

Dc 1

D= −

(Eq. 20)

Dv est la taille normée au volume des particules et Ds la taille normée à la surface des particules.

Les définitions mathématiques de Ds et Dv sont données par les équations 21 et 22 :

3i i

is 2

i ii

n dD

n d=∑

∑ (Eq. 21)

4i i

iv 3

i ii

n dD

n d=∑

∑ (Eq. 22)

où ni représente le nombre i de particules ayant un diamètre di.

77

L’écart type (σm) sur la valeur de Dm,p donné par l’équation 18 est obtenu grâce à l’équation 23 :

m m,pcDσ = (Eq. 23)

Une autre façon de déterminer la taille moyenne des nanoparticules est d’utiliser simplement une

moyenne arithmétique définie selon l’équation 24 :

i ii

mi

i

n dD

n=∑

∑ (Eq. 24)

Cette méthode de détermination de la taille moyenne des particules présente l’avantage de

s’abstenir d’une quelconque hypothèse sur la forme des nanoparticules.

Les distributions de taille normalisées, déterminées et simulées, sont présentées sur la figure 24.

Sur cette figure, ∆d est la largeur d’une classe (i.e. 0,5 nm) et A est la constante utilisée pour la

normalisation de la distribution.

0 2 4 6 8 100.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

f(d)

.∆d/

A

Taille / nm

R = 0,9577

A

0 2 4 6 8 100.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

f(d)

.∆d/

A

Taille /nm

R = 0,99774

B

78

0 2 4 6 8 100.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

f(d)

.∆d/

A

Taille / nm

R = 0,98981

C

0 5 10 15 20 25 300.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

f(d)

.∆d/

A

Taille / nm

R = 0,9461

D

Figure 24 : Distributions de taille obtenues par comptage de nanoparticules de Pt (A), de

compositions nominales Au30Pt70 (B), Au70Pt30 (C) et Au (D). La valeur du coefficient de

corrélation R est donnée dans chaque cas.

L’ensemble des distributions de taille présentées sur la figure 24 semble être de type

log-normale. Ainsi les relations données par Popa et col. (cf. équations 19, 20 et 23) sont

applicables.

Les différents paramètres de taille obtenus par microscopie électronique en transmission et par

diffraction des rayons X sont présentés dans le tableau 3.

% Au Lv (nm) Dm,p (nm) Dm (nm) Ds (nm) Dv (nm)

0 3,5 4,2 ± 1,0 4,1 4,6 4,7

30 4,0 4,2 ± 0,8 4,2 4,5 4,6

70 4,3 4,5 ± 1,1 4,5 5,0 5,2

80 5,0 4,6 ± 0,9 4,6 5,0 5,3

100 9,4 8,6 ± 3,3 8,7 11,9 14,1

Tableau 3 : Récapitulatif des tailles de particules obtenues par diffraction des rayons X et par

microscopie électronique en transmission.

79

Le tableau 3 permet de tirer les conclusions suivantes :

- La relation donnée par Popa et col. permet d’obtenir une taille de particule proche de la taille

moyenne obtenue en réalisant une moyenne arithmétique. Cela confirme la quasi-sphéricité des

particules des différents échantillons.

- Les valeurs de Lv calculées par diffraction des rayons X ne sont pas aberrantes. Ainsi les

valeurs obtenues par simulation du diagramme de Williamson-Hall semblent être en accord avec

l’observation directe des nanoparticules par microscopie électronique en transmission.

- Les particules synthétisées résultent de la juxtaposition de différents domaines de cohérence.

En effet, nous observons, quel que soit l’échantillon considéré, une valeur de Dv plus importante

que la valeur de Lv. Les nanoparticules de nos échantillons ne semblent donc pas

monocristallines, ce qui confirme également les observations réalisées en microscopie

électronique à transmission en mode haute résolution.

III.2. Composition chimique des nanoparticules

Dans cette partie, nous nous intéresserons à l’arrangement des atomes d’or et de platine au sein

des différentes nanoparticules Au-Pt synthétisées. Nous essaierons en effet de décrire la

composition volumique des nanoparticules par utilisation de méthodes physiques. Nous

corrélerons par la suite les résultats obtenus avec ceux obtenus par quantification directe de la

surface électrochimiquement active de ces nanoobjets.

III.2.1 Composition chimique volumique d’un échantillon.

La composition volumique de l’échantillon est déduite des analyses effectuées par spectrométrie

de dispersion d’énergie de rayons X (EDX). Une analyse est réalisée plusieurs fois sur

différentes particules isolées. L’analyse est réalisée avec une nanosonde permettant d’éviter

l’étalement du faisceau. Les compositions nominales étudiées sont Au70Pt30 et Au30Pt70. Un des

résultats obtenus est montré sur la figure 25.

Figure 25 : Montage de deux analyses EDX enregistrées, avec Au

(B), sur deux nanoparticules distinctes et représentatives. Le spectre C est la modélisation

de A et B.

80

Montage de deux analyses EDX enregistrées, avec Au70Pt


Pt30 (A) et Au30Pt70


81

Les analyses EDX précédentes montrent que la composition volumique des particules est très

proche de celle attendue. De plus, l’utilisation du microscope FEI-Titan en mode (STEM) a

permis l’analyse d’une particule isolée [141]. Notons que le pic situé à environ 8,9 keV est

attribué au cuivre constituant la grille supportant l’échantillon. Les pics du 78Pt (Lα1=9,441 keV)

et 79Au (Lα1=9,711 keV) sont indiqués sur les figures 24.A et 24.B. Bien que le nombre de coups

dans les pics considérés soit relativement faible (cela est dû au faible volume de matière

analysé), une quantification de la fraction d’or et de platine a été réalisée par simulation. La

simulation des spectres EDX des figures 24.A et 24.B est donnée sur la figure 24.C. Dans le cas

des échantillons de compositions nominales Au70Pt30, et Au30Pt70, la proportion d’or est

respectivement estimée à 69% at. et 29% at. Pour chaque échantillon, la quantification a été

effectuée sur une quinzaine de particules isolées. Dans chaque cas, la composition atomique en

or est proche de celle annoncée précédemment. Ceci tend à confirmer l’homogénéité en termes

de composition des particules Au-Pt synthétisées par la méthode « water-in-oil microemulsion ».

III.2.2 Composition de surface des nanoparticules Au-Pt

III.2.2.1 Etude voltammétrique

Dans cette partie, nous allons quantifier la composition de surface électrochimiquement active.

La méthode que nous allons employer a été développée au laboratoire il y a une vingtaine

d’années, lors de l’étude d’électrodépôts d’or et de platine. Cette méthode consiste en

l’intégration des pics de désorption des oxydes d’or et de platine, visibles sur le

voltammogramme obtenu en milieu NaOH, à la concentration de 0,1 M. Cette méthode est basée

sur la désorption indépendante des oxydes d’or et de platine dans des structures bimétalliques

Au-Pt. De plus, il a été démontré que la charge correspondant à la désorption des oxydes peut

être utilisée pour déterminer une composition de surface [142, 143]. Pour les métaux purs, Au et

Pt, la charge associée à la réduction des oxydes est respectivement de 493 µC.cm-2 et

543 µC.cm-2 lorsque la borne anodique utilisée en voltammétrie est de 0,25 V vs. ESM en milieu

NaOH 0,1 M [144]. La composition atomique en or, x, est définie par l’équation 25.

82

Au

Au Pt

Sx 100

S S= ×

+ (Eq. 25)

où SAu et SPt représentent respectivement les surfaces électrochimiquement actives d’or et de

platine.

La quantification réalisée ne sera bien évidemment pas une quantification absolue ; mais elle

permettra néanmoins de comparer la composition de surface de nanoparticules Au-Pt de

différentes compositions nominales. En effet, d’une part, les coulométries de référence utilisées

sont valables pour le matériau massif. D’autre part, la croissance d’oxyde est vraisemblablement

plus importante sur le matériau nanostructuré que sur le matériau massif. Les voltammogrammes

obtenus pour différentes compositions de nanoparticules Au-Pt sont présentés sur la figure 26.

83

-1,2 -0,8 -0,4 0,0

-12-606

-20

0

20

-20

0

20

-20

0

20

-20

0

20

j / m

A.m

g-1

E / V vs. ESM

Au

Au80

Pt20

Au70

Pt30

Au20

Pt80

Pt

Figure 26 : Voltammogrammes obtenus après 19 cycles en milieu NaOH 0,1 M avec différentes

compositions de catalyseurs bimétalliques Au-Pt. v = 20 mV.s-1

Notons tout d’abord que la capacité de double–couche est plus importante pour les

nanoparticules supportées sur Vulcan XC 72R que pour le matériau massif. Ceci est du à la

présence du support carboné. Sur les voltammogrammes de la figure 26, les pics observés autour

de -0,38 V vs. ESM et -0,8 V vs. ESM lors de la variation négative de potentiel correspondent

respectivement à la réduction des oxydes d’or et de platine. Ces oxydes sont préalablement

formés lors de la variation positive de potentiel. Les oxydes de platine se forment à environ -0,6

V vs. ESM et les oxydes d’or, quant à eux, se forment à des potentiels de l’ordre de -0,25 V vs.

ESM. Il est intéressant de noter que le pic de désorption des oxydes de platine se décale vers les

84

bas potentiels lorsque la teneur en or augmente au sein des particules bimétalliques Au-Pt. Cela

plaide en faveur de la formation d’oxydes de platine plus complexes ou bien de l’oxydation du

platine sur plus d’une monocouche atomique. Un tel cas peut être source d’erreur dans la

quantification de la composition de surface des nanocatalyseurs Au-Pt. Pour ce faire, nous ferons

l’hypothèse que le platine ne s’oxyde que sur une seule monocouche atomique. Nous tenterons

de valider cette hypothèse par la suite en comparant la valeur de la surface active de platine

obtenue par la méthode de désorption des oxydes de platine avec d’autres méthodes

électrochimiques utilisées pour la quantification de la surface active d’une électrode de platine.

La deuxième remarque concerne la diminution de la charge associée à l’adsorption d’hydrogène

(région visible pour -1,3 V vs. ESM < E < -1,0 V vs. ESM) avec l’augmentation de la quantité

d’or au sein de la structure bimétallique. Ceci plaide en faveur d’une diminution de la proportion

de platine dans la composition de surface des bimétalliques Au-Pt.

Les valeurs de compositions de surface calculées par intégration des pics de désorption des

oxydes d’or et de platine sont présentées dans le tableau 4.

85

Composition nominale % At. Pt surface % At. Au surface

Pt 100 0

Pt90Au10 100 0

Pt80Au20 100 0

Pt70Au30 100 0

Pt60Au40 90 10

Pt50Au50 75 25

Pt40Au60 61 39

Pt30Au70 44 56

Pt20Au80 29 71

Pt10Au90 15 85

Au 0 100

Tableau 4 : Composition de surface calculée pour les différentes compositions nominales de

catalyseurs bimétalliques Au-Pt.

Le tableau 4 montre très clairement un effet d’enrichissement de la surface catalytique en platine.

En effet, pour des compositions nominales à faible teneur en or, le pic de désorption des oxydes

d’or n’apparaît pas sur le voltammogramme effectué en milieu NaOH 0,1 M (cf. Au20Pt80 figure

26). Lors de l’étude du paramètre de maille (cf. figure 18) des nanoparticules de composition

nominale Au70Pt30 nous avions montré que la teneur apparente en or de ces nanoparticules était

de 45%, ce qui peut s’expliquer dans ce cas par la formation d’une structure de type cœur-

coquille avec un enrichissement du cœur des particules avec des atomes d’or. De plus, lorsque la

teneur en or augmente, il semble que la composition de surface tende vers la composition

nominale. En conclusion, deux types de structures Au

compositions. Pour de faibles teneurs en or, il y

(cf. figure 27 A) présentant un cœur constitué d’atomes d’or et une coquille constituée d’atomes

de platine. Pour des teneurs en or plus importantes, la formation de particules

compositions de surface conforme

B).

A)

Figure 27 : Représentation schématique des deux types de structures rencontrées. Les clusters

d’or sont de couleur claire et les clusters de platine sont représentés en noir.

La formation de ces structures peut être clairement expliquée par la cinétique de réduction des

sels métalliques lors de la synthèse des nanoparticules. La réduction du sel d’or (HAuCl

rapide, ce qui implique lors du processus de réduction, la formation préalable d’un germe d’or

sur lequel a lieu la croissance du platine. Suivant cette description, il est évident que les

nanoparticules Au-Pt ainsi synthétisées tendent à former

type cœur-coquille avec enrichissement de la

temps, et pour vérifier la stabilité de la composition de surface des nanoparticules Au

présentant de manière conjointe de

sur 150 cycles avec quantification systématique de la composition de surface des particules est

réalisée. Les résultats obtenus sont présentés sur les figures 2

86


nominale. En conclusion, deux types de structures Au-Pt semblent se former selon les

compositions. Pour de faibles teneurs en or, il y a formation de structures de type cœur

présentant un cœur constitué d’atomes d’or et une coquille constituée d’atomes

de platine. Pour des teneurs en or plus importantes, la formation de particules

conformes à la composition nominale semble avoir lieu

B

Représentation schématique des deux types de structures rencontrées. Les clusters


formation de ces structures peut être clairement expliquée par la cinétique de réduction des

sels métalliques lors de la synthèse des nanoparticules. La réduction du sel d’or (HAuCl



Pt ainsi synthétisées tendent à former de manière naturelle des structures de

enrichissement de la surface en atomes de platine

temps, et pour vérifier la stabilité de la composition de surface des nanoparticules Au

présentant de manière conjointe de l’or et du platine à leurs surfaces, une étude voltammétrique


réalisée. Les résultats obtenus sont présentés sur les figures 28 et 29.


Pt semblent se former selon les

tures de type cœur-coquille

présentant un cœur constitué d’atomes d’or et une coquille constituée d’atomes

de platine. Pour des teneurs en or plus importantes, la formation de particules plus homogènes de

à la composition nominale semble avoir lieu (cf. figure 27

Représentation schématique des deux types de structures rencontrées. Les clusters


formation de ces structures peut être clairement expliquée par la cinétique de réduction des

sels métalliques lors de la synthèse des nanoparticules. La réduction du sel d’or (HAuCl4) est très



de manière naturelle des structures de

en atomes de platine. Dans un second

temps, et pour vérifier la stabilité de la composition de surface des nanoparticules Au-Pt

l’or et du platine à leurs surfaces, une étude voltammétrique


87

-1,2 -0,8 -0,4 0,0

-20

0

20

40

j / m

A.m

g-1

E / V vs. ESM

1er cycle 10ème cycle 20ème cycle 50ème cycle 100ème cycle 150ème cycle

Figure 28 : Voltammogrammes obtenus avec des nanoparticules de composition nominale

Au70Pt30 en milieu NaOH 0,1 M. v = 50 mV.s-1

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pou

cent

age

atom

ique

de

mét

al

Nombre de cycles

% At. Pt % At. Au

Figure 29 : Quantification de la composition de surface électrochimiquement active des

nanoparticules de composition nominale Au70Pt30 en fonction du nombre de cycles

voltammétriques effectués.

Les voltammogrammes de la figure 27 montrent une diminution de la surface

électrochimiquement active après 20 cycles de voltammétrie. Ceci se manifeste par une

88

diminution des pics de désorption des oxydes d’or et de platine. En effet, sous effet de potentiel

il est bien connu que les particules bougent à la surface du support carboné. Lors de la rencontre

entre les particules il y a alors croissance des grains [145, 146]. De plus, la charge non-faradique

associée à la région de couche double diminue elle aussi, ce qui laisse supposer qu’il y a

oxydation du carbone Vulcan XC 72R [147] utilisé comme support pour les nanoparticules

Au70Pt30. Cependant la figure 28 montre que la composition de surface des particules n’évolue

que très peu, après vingt cycles voltammétriques malgré la diminution de la surface active

métallique. La forte variation visible au cours des vingt premiers cycles peut être associée à un

« nettoyage » électrochimique [148] de la surface des particules dû à l’oxydation du tensioactif

résiduel [145]. Ce nettoyage apparaît clairement sur les voltammogrammes de la figure 28

lorsque l’on regarde l’évolution de la zone d’oxydes entre le premier et le vingtième cycle

voltammétrique. Ce nettoyage s’accompagne d’une augmentation de la surface active ainsi que

d’une augmentation forte du pourcentage atomique d’or à la surface des nanoparticules. En effet

ce dernier passe d’une valeur de 34% At. au premier cycle voltammétrique à une valeur de 56%

At. au vingtième cycle voltammétrique.

III.2.2.2 Mise en évidence des structures de type cœur-coquille

L’hypothèse concernant la formation d’une structure de type cœur-coquille pour des

compositions à faible teneur en or a été vérifiée par analyse EDX successive du cœur (figure 30

A) et de l’ensemble cœur-coquille (figure 30 B) de plusieurs nanoparticules de composition

nominale Au30Pt70.

89

Figure 30 : Analyse EDX du cœur d’une particule de composition nominale Au30Pt70 (A) et de

l’ensemble du volume de cette même particule (B). Les spectres simulés correspondants sont

donnés sur la figure C.

Au vu des spectres A et B de la figure 30, il est clair que le cœur des particules de compositions

nominales Au30Pt70 est enrichi en atomes d’or. La simulation (cf. figure 30 C) qui, au vu des

spectres expérimentaux ne peut pas être précise, permet d’obtenir une valeur approximative de la

composition atomique en or. Le calcul effectué sur le cœur de la particule montre que celui-ci est

composé de 43% At. en Au tandis que la valeur obtenue en prenant en compte l’ensemble de la

particule est seulement de 28% At. Ceci tend à démontrer que nous sommes en présence d’une

structure de type cœur-coquille avec enrichissement de la surface en platine.

III.2.2.3 Autres méthodes de quantification de la surface active de platine dans les catalyseurs bimétalliques Au-Pt

Le but de cette partie est de vérifier la quantification de la composition de surface précédemment

réalisée. En effet, la méthode de quantification utilisée fait intervenir l’hypothèse selon laquelle

A

B

C

% at. Au = 43%

% at. Au = 28%

90

le platine ne serait oxydé que sur une seule monocouche quelle que soit la composition nominale

Au-Pt étudiée. Afin de vérifier cette supposition, nous mettons en œuvre une autre méthode de

quantification de la surface électrochimiquement active d’une électrode composée de platine.

Cette méthode est l’intégration de la zone d’adsorption ou de désorption d’hydrogène. Afin de

mettre en évidence la contribution non-faradique du courant dans la région d’adsorption

d’hydrogène, nous réaliserons l’oxydation d’une monocouche de CO préalablement adsorbée à

un potentiel de 0,1 V vs. ERH (« CO stripping »). Un exemple de voltammogramme obtenu avec

des nanoparticules de platine et présentant la méthode de quantification est donné sur la figure

31.

Figure 31 : « CO stripping » effectué en milieu H2SO4 0,5 M sur des nanoparticules de platine.

v = 5 mV.s-1

Sur la figure 31, lors du premier cycle de voltammétrie, le CO est adsorbé à la surface du

catalyseur. Il en résulte un blocage des sites catalytiques et aucune adsorption d’hydrogène n’est

observée. Seul le courant non-faradique associé à la couche double est visible. L’oxydation du

monoxyde de carbone en dioxyde de carbone commence aux environs de 0,3 V vs. ERH et se

manifeste sur le voltammogramme par l’apparition d’un pré-pic dont l’origine reste controversée.

L’apparition de ce pré-pic est cependant liée à l’orientation de la surface [149] ainsi qu’à la

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4-0,08

-0,04

0,00

0,04

0,08

0,12

E / V vs. ERH

Premier cycle Second cycle

I / m

A

QCO

QH

91

création de défauts sur ces surfaces [134, 150]. Nous ne discuterons cependant pas de l’origine

de ce pré-pic au cours de cette étude. L’oxydation du CO se poursuit avec l’apparition du pic

d’oxydation principal situé à 0,73 V vs. ERH. La position de ce pic varie en fonction de l’énergie

de liaison de la molécule de CO avec la surface métallique. Lors du second cycle

voltammétrique, la surface catalytique est libérée et le courant observé correspond à l’adsorption

d’hydrogène.

La quantification de la surface électroactive du platine peut se faire :

- Par intégration de la zone d’adsorption ou de désorption d’hydrogène (QH)

- Par intégration de la zone d’oxydation du CO (QCO)

La première méthode fait intervenir une densité de charge théorique de 210 µC.cm-2. Cette

valeur est associée à l’adsorption d’une monocouche d’hydrogène sur 1 cm2 de platine

polycristallin [151]. Cette valeur est déterminée par comparaison entre calculs et mesures sur les

trois plans cristallins de bas indices de Miller (100), (110) et (111). De plus, cette coulométrie de

référence fait intervenir l’hypothèse d’une prédominance de plans (100) [151]. La surface

électroactive de platine (SPt en cm2) peut alors être estimée par l’équation 26.

HPt

QS

210=

(Eq. 26)

Cependant la quantification de la surface électroactive de platine dans un catalyseur bimétallique

Au-Pt est difficile à réaliser. En effet, l’addition d’un second métal modifie profondément la

région d’adsorption/désorption d’hydrogène [152]. Dans le cas d’une électrode de platine,

l’adsorption d’hydrogène se fait selon des niveaux d’énergie bien déterminés. L’adsorption

d’hydrogène sur une face cristalline du matériau peut être associée à chacun des niveaux

d’énergie. L’ajout d’un second métal permet de créer des niveaux d’énergie intermédiaires pour

l’adsorption de l’hydrogène. Il en résulte la création d’un continuum d’énergie. Nous ferons

néanmoins une quantification de la surface active de platine en réalisant deux hypothèses :

- la non-adsorption de l’hydrogène sur l’or.

- l’adsorption d’un atome d’hydrogène sur un atome de platine.

92

La deuxième méthode fait intervenir une charge théorique de 420 µC.cm-2 si l’on suppose que

toutes les molécules de CO sont adsorbées linéairement et occupent tous les sites actifs du

platine. La quantification par « CO stripping » de la surface électroactive de platine, dans le cas

des catalyseurs bimétalliques Au-Pt, ne sera pas effectuée. En effet, l’oxydation du CO sur les

électrodes Au-Pt ayant lieu à des potentiels élevés (i.e. supérieurs à 1,5 V vs. ERH), il est

difficile de s’affranchir des phénomènes induisant une modification irréversible de la surface

catalytique. De plus la coulométrie de référence concernant l’oxydation du CO sur de tels objets

est très incertaine. D’autre part, la sensibilité de la méthode à de nombreux paramètres (pré-

traitement électrochimique, présence d’un support carboné et d’impuretés organiques) rendent

difficile la quantification [134]. Ainsi pour utiliser cette méthode, il semble nécessaire

d’introduire une correction de la surface à intégrer.

Les valeurs obtenues par intégration de la zone de désorption des oxydes de platine et par

intégration de la région hydrogène sont données dans le tableau 5.

Pt Au20Pt80 Au80Pt20

SPt (Région Hydrogène) cm2 5,3 5,5 2,3

SPt (Zone oxyde) cm2 5,6 6,4 2,0

Tableau 5 : Comparaison des valeurs obtenues lors de la quantification de la surface

électroactive de platine par intégration de la zone d’adsorption/désorption de l’hydrogène et par

intégration de la zone de désorption des oxydes de platine.

Le tableau 5 montre que les résultats obtenus par les deux méthodes sont du même ordre pour

chacun des échantillons ce qui justifie pleinement l’emploi de la méthode de désorption d’oxydes

pour la quantification de la composition de surface des catalyseurs Au-Pt. Cependant certains

écarts sont notables. Ceux-ci peuvent être attribués au pré-traitement électrochimique. En effet la

modification de la composition de surface lors du pré-cyclage en potentiel n’est probablement

pas identique en milieu acide (H2SO4 0,5 M) et en milieu basique (NaOH 0,1 M). D’autre part,

l’intégration de la zone hydrogène se fait en soustrayant une charge non-faradique obtenu

lorsque la monocouche de CO est adsorbée. Or, ce courant non-faradique n’est pas équivalent au

93

courant de double-couche lorsqu’il n’y a pas de molécules de CO adsorbées sur la surface

catalytique. En effet les molécules de CO possèdent un moment dipolaire qui va entraîner une

distribution particulière des anions et des molécules d’eau au voisinage de l’électrode et ainsi

modifier la structure de la double-couche [153, 154]. Ainsi le courant de double couche se trouve

modifié. Il n’est donc pas sûr qu’une telle estimation de la charge due à l’adsorption d’hydrogène

corresponde à une réalité physique. Dans un troisième temps, la quantification de la surface

électroactive de platine impose une non-oxydation de la molécule de CO sur l’or. Il est vrai que

l’or, tout du moins à l’état massif, ne semble pas présenter d’activité catalytique sur l’oxydation

du CO [155]. Néanmoins, il est aussi démontré que des particules d’or de taille nanométrique ont

un effet sur l’oxydation du CO [155, 156]. Toutefois, la possibilité d’un effet promoteur du

support utilisé dans ces études n’est pas à exclure.

Pour vérifier l’éventualité d’un effet de taille des nanoparticules d’or sur l’oxydation du CO, une

étude par « CO stripping » a été menée sur des nanoparticules d’or synthétisées par la méthode

« water-in-oil microemulsion ». La taille moyenne de ces particules estimée par microscopie

électronique en transmission est de 8,7 nm. Cette étude est comparée à une autre utilisant comme

catalyseur des nanoparticules d’or de taille moyenne 3,0 nm synthétisées par la méthode de Slot

(cf. Section expérimentale). Les résultats obtenus sont présentés sur les figures 32 et 33.

94

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

-40

-20

0

20

40

60

I / µ

A

E / V vs. ERH

Cycle 1 Cycle 2

Figure 32 : « CO stripping » effectué en milieu H2SO4 0,5 M sur des nanoparticules d’or

synthétisées par microémulsion (support carbone vitreux). Le CO est préalablement adsorbé 5

min à 0,1 V vs. ERH. v = 5 mV.s-1

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

I / µ

A

E / V vs. ERH

Cycle 1 Cycle 2

Figure 33 : CO stripping effectué en milieu H2SO4 0,5 M sur des nanoparticules d’or de taille 3

nm synthétisées par la méthode de Slot puis déposées sur feuille de carbone Toray. Le CO est

préalablement adsorbé pendant 5 min à 0,1 V vs. ERH. v = 5 mV.s-1

Les voltammogrammes des figures 32 et 33 montrent très clairement l’existence d’un effet de

taille en ce qui concerne l’activité catalytique de nanoparticules d’or sur l’oxydation du CO. En

95

effet, sur la figure 32 le premier cycle voltammétrique se superpose directement au second. Cela

indique qu’il n’y a pas d’activité catalytique visible de nanoparticules d’or de taille moyenne

8,7 nm. La figure 33 démontre la possibilité d’oxyder le CO sur des nanoparticules d’or de taille

de 3 nm. Ce résultat semble cohérent avec les résultats obtenus par Hvolbaek et col. [156]. En

effet, ces auteurs montrent que des particules d’or de taille de 3 nm présentent une activité

catalytique très importante vis-à-vis de l’oxydation de la molécule de CO. Cependant, ils

montrent également que cette activité décroît très rapidement et devient quasi-nulle pour une

taille de particules supérieure à 5 nm. Cette oxydation semble commencer à de bas potentiel (i.e.

0,4 V vs. ERH). Elle se poursuit avec l’apparition de deux pics d’oxydation centrés

respectivement à 0,85 et 1,00 V vs. ERH. Leur apparition laisse entrevoir l’existence de deux

niveaux d’énergie d’adsorption de la molécule de CO. Une des explications que l’on pourrait

avancer concerne la multiplicité des orientations cristallines à la surface des nanoparticules d’or.

Cette hypothèse ne peut cependant pas être vérifiée car aucune étude en microscopie

électronique en transmission en mode haute résolution n’a été effectuée. Lors du second cycle

voltammétrique ces deux pics persistent avec une intensité moins importante. Cela laisse

supposer que la molécule de CO est très fortement liée aux sites catalytiques des nanoparticules

d’or.

III.3 Mise en évidence d’une structure alliée Au-Pt

Dans cette partie, nous allons indirectement mettre en évidence l’existence d’une fraction

d’alliage dans les nanoparticules Au-Pt. Pour cela nous étudierons le déplacement du pic

d’oxydation du CO avec l’augmentation de la proportion d’or dans la composition nominale des

catalyseurs Au-Pt. Nous corrélerons ensuite les résultats obtenus avec les études théoriques et

expérimentales rapportées dans la littérature. La figure 34 présente la réponse en courant obtenue

pendant l’oxydation du CO adsorbé lors de la variation positive du potentiel.

96

Figure 34 : Variation positive du potentiel observé lors de l’oxydation du CO en milieu H2SO4

0,5 M sur différentes compositions nominales de nanoparticules Au-Pt. v = 5 mV.s-1.

La figure 34 démontre clairement un décalage du pic d’oxydation de la molécule de CO lorsque

la concentration en or augmente à la surface des nanoparticules. En effet, le pic d’oxydation du

CO observé sur les nanoparticules de platine est centré à 0,76 V vs. ERH. Celui-ci est centré à

0,79 V vs. ERH lorsque l’oxydation est réalisée sur des nanoparticules de composition nominale

Au50Pt50 et à 1,02 V vs. ERH dans le cas de nanoparticules de composition Au80Pt20. De plus, le

pic d’oxydation du CO semble s’élargir avec l’augmentation de la proportion d’or au niveau de

la surface catalytique. Les observations mentionnées précédemment ont déjà été réalisées lors de

l’étude de dépôt de platine sur des substrats d’or [157]. En effet, au cours de ce travail, il a été

montré que des temps de dépôt courts conduisent à la formation d’électrodes Au-Pt sur lesquelles

le CO s’oxyde à des potentiels plus élevés que sur le platine seul. De plus l’élargissement du pic

d’oxydation du CO peut s’expliquer par l’isolement des « clusters » de platine à la surface des

nanoparticules. Cet isolement rendrait plus difficile l’adsorption des espèces hydroxyles

nécessaires à l’oxydation du CO. Le décalage du pic d’oxydation du CO vers les hauts potentiels

pourrait être le signe de la présence d’une fraction d’alliage Au-Pt. En effet la formation d’un

alliage Au-Pt entraînerait une augmentation de l’énergie de liaison entre la molécule de CO et le

platine [158]. Cette augmentation serait le résultat d’une modification de la bande de valence du

platine. Nous vérifierons par la suite cette hypothèse en suivant par spectroscopie infrarouge de

97

réflexion in situ l’oxydation du CO sur différents catalyseurs bimétalliques Au-Pt. La présence

d’un pré-pic centré à environ 0,6 V vs. ERH sur les catalyseurs de compositions nominales

Au50Pt50, Au70Pt30 et Au80Pt20 pourrait traduire l’oxydation de molécule de CO au voisinage de

défauts de surface où la dissociation des molécules d’eau peut avoir lieu à bas potentiels [159].

De plus, l’oxydation de molécules de CO au niveau du pré-pic peut induire une augmentation de

l’énergie de liaison entre le platine et les molécules de CO adsorbées. Les « trous » ainsi laissés

dans la couche de CO entraînent la formation « d’ilôts » impliquant une diminution de la force

des interactions entre les molécules de CO adsorbées [159]. Ainsi l’élargissement du pic de CO

avec l’augmentation de la concentration surfacique en or, pourrait être le résultat de la formation

d’une fraction d’alliage Au-Pt et également la présence de défauts au niveau de la surface

catalytique.

Afin de confirmer l’augmentation de l’énergie de liaison une étude infrarouge de réflexion in situ

a été menée en réalisant l’oxydation du CO préalablement adsorbé sur les nanomatériaux Au-Pt.

Les résultats de cette étude sont présentés sur les figures 35 et 36.

98

1600 1800 2000 2200 2400

∆R/R

= 0

.5 %

nombre d' onde / cm-1

150 mV

950 mV

A

550 mV

Référence: 50 mV vs. ERH

1600 1800 2000 2200 2400

∆R/R

= 0

.5%

Nombre d'onde / cm-1

50 mV

350 mV

650 mV

B Référence: 950 mV vs. ERH

Figure 35 : Spectres infrarouge obtenus in situ lors de l’oxydation d’une monocouche de CO

préalablement adsorbée à la surface de nanoparticules de platine à 0,1 V vs. ERH. Les valeurs de

potentiel indiquées sont relatives à ERH.

99

1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

∆R/R

= 2

%


A Référence: 100 mV vs. ERH

200 mV

600 mV

1000 mV

1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

Référence: 1 V vs. ERH

∆R/R

= 1

%


B

100 mV

400 mV

Figure 36 : Spectres infrarouge obtenus in situ lors de l’oxydation d’une monocouche de CO

préalablement adsorbée à la surface de nanoparticules de composition nominale Au70Pt30 à

0,1 V vs. ERH. Les valeurs de potentiel indiquées sont relatives à ERH.

Dans le cas de l’oxydation du CO sur les nanoparticules de platine ou bien de composition

nominale Au70Pt30, il semble que le CO s’adsorbe linéairement sur les sites catalytiques de

platine. En effet, les spectres de la figure 35 montrent clairement la prédominance d’une bande

située à environ 2075 cm-1 lorsque l’oxydation du CO a lieu sur les nanoparticules de platine.

Cette bande est caractéristique de l’adsorption du CO linéaire sur platine [160]. La figure 36

100

quant à elle, fait apparaître une bande située à environ 2054 cm-1. Cette bande est aussi attribuée

à l’adsorption du CO linéaire sur le platine. Ainsi, le décalage en potentiel observé lors de

l’oxydation du CO sur les catalyseurs bimétalliques Au-Pt ne peut pas être attribué, a priori, à un

effet géométrique résultant d’une plus forte adsorption de la molécule de CO. Cette observation

paraît logique puisqu’il est généralement admis que le CO dissous en solution acide s’adsorbe

linéairement sur les sites de Pt. Les spectres de la figure 36 ne font pas apparaître de bande

caractéristique de l’adsorption de CO sur l’or dont la localisation en terme de nombre d’onde a

déjà été décrite dans la littérature [161] (1970 cm-1). Dans tous les cas la bande située à

2345 cm-1 est attribuée à la formation de dioxyde de carbone [162], produit d’oxydation du

monoxyde de carbone.

Le renforcement de la liaison entre la molécule de CO linéairement adsorbée (COL) et la surface

de platine est clairement montré sur la figure 37.

100 200 300 400 500 600 700 800 9002050

2055

2060

2065

2070

2075

2080

2085

2090

Pt Au

30Pt

70

Au50

Pt50

Au70

Pt30

Nom

bre

d'on

de /

cm-1

E / V vs. ERH

Figure 37 : Variation du nombre d’onde moyen de la modulation du CO linéairement adsorbé en

fonction du potentiel appliqué à l’électrode.

Lorsque le nombre d’onde de la bande de COL augmente, la constante de force de la liaison entre

l’atome de carbone et l’atome d’oxygène de la molécule de CO augmente. Ceci induit un

affaiblissement de la liaison Pt-CO. Dans notre cas, cette liaison semble de plus en plus forte à

101

mesure que la quantité d’or au sein du catalyseur bimétallique augmente. Cela confirme les

observations voltammétriques de la figure 34. La pente de la partie linéaire des courbes de la

figure 37 est de 30 cm-1.V-1, ce qui est en accord avec les observations faites dans le cas de

l’oxydation du CO linéairement adsorbé à la surface de nanoparticules de platine [152]. Cette

pente traduit l’augmentation du nombre d’onde associé à l’adsorption du CO linéairement lié, ce

qui résulte de la modification des niveaux d’énergie sous l’action du champ électrique [152].

III.4 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons tout d’abord réalisé une étude par diffraction des rayons X en

transmission. Le calcul des paramètres de maille de plusieurs compositions de catalyseurs Au-Pt

et la comparaison des valeurs obtenues avec la loi de Végard a permis d’établir la possibilité de

la formation de structures alliées dans le cas de nanoparticules de compositions nominales

Au70Pt30 et Au80Pt20. Lorsque l’on regarde le diagramme de phase Au-Pt fourni par Darling et

col.[122], seule la formation d’une solution solide Au-Pt semble possible. En effet aucun

composé défini ne semble avoir été décrit. L’hypothèse de la formation d’une structure alliée est

en bon accord avec les observations effectuées lors des expériences de « CO stripping ». La

simulation des diagrammes de Williamson-Hall a permis d’obtenir des valeurs de probabilité de

défauts d’empilement (α), de contraintes moyennes internes (σ), et de taille des domaines

cristallins normé au volume (Lv). Les valeurs obtenues montrent que la taille des particules

augmente avec la quantité d’or présente dans la composition nominale du matériau bimétallique.

De plus pour les nanostructures de composition Au70Pt30 et Au80Pt20, les valeurs de α et σ

obtenues sont très supérieures à celles obtenues avec les autres compositions de bimétalliques

Au-Pt. L’observation directe des nanoparticules effectuée par microscopie électronique en

transmission nous a permis de vérifier qu’elles présentent de nombreux défauts (macles, fautes

d’empilement), ce qui semble cohérent avec le calcul effectué à partir des diffractogrammes.

Pour chaque échantillon l’ordre de grandeur de Lv semble aussi cohérent avec l’observation.

L’analyse de la composition de surface des nanoparticules Au-Pt montre un enrichissement de la

surface en platine avec la formation probable de structures de type cœur-coquille lorsque la

teneur en or est faible. Cette hypothèse a été confirmée par une analyse EDX réalisée plusieurs

102

fois sur une particule. Dans le prochain chapitre nous tenterons de corréler les résultats

présentement établis avec ceux obtenus lors de l’étude de l’oxydation du glucose sur les

catalyseurs bimétalliques Au-Pt. Cette étude précédera l’utilisation des catalyseurs Au-Pt dans

une biopile glucose/O2. Nous étudierons également l’oxydation du glucose catalysée par une

enzyme, la glucose oxydase, dans le but de développer une biopile glucose/O2.

103

CHAPITRE IV : OXYDATION ENZYMATIQUE ET

NON-ENZYMATIQUE DE LA MOLÉCULE DE D-(+)-

GLUCOSE

104

Nous allons, dans cette partie, tout d’abord étudier l’oxydation de la molécule de glucose en

acide gluconique catalysée par une enzyme, la glucose oxydase. Les résultats obtenus constituent

une base expérimentale nécessaire à la compréhension des phénomènes ayant un effet sur les

performances catalytiques de l’enzyme. Suite à cette étude, une biopile glucose/O2 sera réalisée.

Dans le même temps, une étude de l’oxydation de la molécule de glucose en acide gluconique

sur des nanoparticules Au-Pt sera proposée. Cette étude est réalisée dans le but de développer

une source d’énergie basée sur l’oxydation du glucose.

IV.I. Oxydation du D-(+)-glucose catalysée par la glucose oxydase.

Tous les résultats obtenus concernant l’oxydation enzymatique du glucose ont été établis dans le

cadre d’une collaboration avec S. Tingry et G. Merle, respectivement Chargée de recherche et

Doctorante à l’Institut Européen des Membranes (IEM) à Montpellier.

IV.1.1 Présentation du médiateur électrochimique utilisé.

L’oxydation enzymatique de la molécule de glucose a été réalisée en utilisant un médiateur

électrochimique, l’acide 8-hydroxyquinoline-5-sulfonique (HQS), molécule commerciale,

permettant l’augmentation de la cinétique de transfert électronique entre le site actif de l’enzyme

et la surface de l’électrode. L’usage des quinones [163] et en particulier de cette molécule en tant

que médiateur électrochimique associé à la glucose oxydase est déjà décrit dans la littérature [50,

54, 164].

La « signature électrochimique » de la molécule HQS est présentée sur la figure 38

105

-100 0 100 200 300 400-100

-50

0

50

100

150

200

250

I / µ

A

E / mV vs. ECS

I

II

Figure 38: Voltammogramme réalisé en milieu tampon phosphate de pH=7,4 à la concentration

de 0,2 M en présence de HQS 5 mM. L’électrode de travail est un tube de carbone. La vitesse de

variation du potentiel est de 10 mV.s-1.

Le voltammogramme de la figure 38 montre que la molécule HQS présente un système quasi

réversible à bas potentiels. Les maxima des pics d’oxydation (I) et de réduction (II) de la

molécule se situent respectivement à 29 mV vs. ECS et -35 mV vs. ECS. Le potentiel rédox

apparent du système HQS oxydée / HQS réduite est donc de -3 mV vs. ECS à pH = 7,4. L’écart

en potentiel entre le potentiel rédox apparent de la molécule HQS et le potentiel redox du site

FAD de la GOD est normalement suffisamment grand (supérieur à 0,3 V) pour promouvoir, tout

du moins d’un point de vue thermodynamique, le transfert électronique entre l’enzyme et la

surface de support conducteur. Le potentiel à circuit ouvert des électrodes composées de GOD et

HQS sera régi par le rapport des concentrations des formes oxydée (HQSox) et réduite (HQSred)

de la molécule HQS. En effet Ei=0 peut être décrit par l’équation 27 :

ox red

oxi 0 HQS /HQS

red

a(HQS )RTE E ln

nF a(HQS )°

= = + (Eq. 27)

106

Avec ox redHQS /HQSE°

le potentiel rédox standard, R la constante des gaz parfaits, T la température

et F la constante de Faraday.

IV.1.2 Réalisation d’électrodes GOD/HQS en vue de leur application dans une biopile glucose/O2

IV.1.2.1 Méthodes d’immobilisation de l’enzyme

Les électrodes destinées à être utilisées en pile complète ont été réalisées selon deux techniques

d’immobilisation de l’enzyme et du médiateur à la surface interne d’un tube en graphite de

1,4 cm de diamètre interne. La première méthode consistera en l’adsorption de l’ensemble

enzyme/médiateur sur la paroi externe du tube avant immobilisation dans une matrice

tridimensionelle, électrogénérée de polypyrrole. L’intérêt de cette technique réside dans la

possibilité de construire des films uniformes et conducteurs électroniques dont il est facile de

contrôler l’épaisseur grâce à la relation d’équivalence courant-matière [46, 165]. Cette méthode

peut être résumée par la figure 39 et est très largement décrite dans la littérature [117]. Dans

cette procédure, le temps d’adsorption de l’enzyme et du médiateur est fixé à 12 h, ce qui

implique que la réponse ampérométrique de l’électrode sera principalement due aux molécules

de l’enzyme présentes au voisinage de la surface du tube de carbone. En effet pour des temps

d’adsorption aussi longs, la plupart des molécules enzymatiques immobilisées dans le film se

situent au voisinage de la surface de l’électrode. Il a été, de plus, montré que pour des temps

d’adsorption plus courts (1 min), la réponse ampérométrique de l’électrode est principalement

due à l’enzyme piégée dans la structure tridimensionnelle du film de polypyrrole [166].

107

Figure 39 : Procédure d’immobilisation par adsorption utilisée pour la réalisation d’électrodes

GOD/HQS.

La « voie de synthèse » proposée sur la figure 38 fait intervenir l’électropolymérisation de la

molécule de pyrrole. Cette étape est conduite sous un potentiel constant fixé à 0,85 V vs.

Ag/AgCl de façon à ne pas suroxyder le polymère et garder ainsi sa capacité de conduction

électronique. L’électropolymérisation de la molécule de pyrrole peut être décrite selon différents

mécanismes très bien décrits par Sadki et col [167]. La réaction la plus probable est celle donnée

par Genies et col. [168] et représentée sur la figure 40.

Figure 40 : Réaction d’électropolymérisation de la molécule de pyrrole.

GOD + HQS

Tampon phosphate pH = 7 12 h à 4 °C

E

E

E

1. Addition de pyrrole 10-2 M

2. Electropolymérisationà 0,85 V vs. Ag/AgCl/Cl-

E

E

E

Tube en carbone

N

H

(n+2)

N

H

N

H

N

H

np+

+ (2n+2) H+ + (2n+2+np) e-

108

La première méthode d’immobilisation ne permet cependant pas de contrôler le nombre de

molécules d’enzyme immobilisées à la surface de l’électrode. En effet, celui-ci est directement

dépendante de la quantité de sites d’adsorption présents à la surface du tube en carbone. La

répartition homogène des sites d’adsorption à la surface du tube de carbone est, en outre, loin

d’être acquise. De plus, de potentiels effets stériques peuvent induire une non-occupation de

l’ensemble des sites d’adsorption. Une voie intéressante pour palier ces problèmes est de greffer

l’enzyme sur le support carboné par l’intermédiaire d’une chaîne carbonée. De plus, les

électrodes réalisées par greffage covalent d’enzymes sur un support semblent présenter une

stabilité plus importante que celles réalisées par physisorption [169]. La réalisation d’électrodes

par greffage covalent de l’enzyme à la surface du support carboné, développée par Merle et col.

[62], se fait en deux étapes :

- Greffage covalent de l’enzyme à la surface du support carboné via une chaîne covalente

(cf. Figure 41)

- Immobilisation du médiateur dans une matrice de polymère

Lors de la première étape, l’enzyme est greffée à la surface du tube de carbone, préalablement

modifiée par un film de polyaminopropylpyrrole d’épaisseur contrôlée, par l’intermédiaire d’une

chaîne carbonée dont la longueur varie. L’épaisseur du film de polyaminopropylpyrrole est

contrôlée par intégration de l’intensité du courant obtenue lors de l’électropolymérisation de

l’aminopropylpyrrole réalisée à 1 V vs. Ag/AgCl. La voie de synthèse de l’aminopropylpyrrole

est décrite par Merle [170]. La longueur de la chaîne carbonée est ensuite contrôlée comme

indiqué sur la figure 41.

109

Figure 41 : Méthode d’immobilisation d’enzymes par greffage covalent à la surface d’un tube

carboné par l’intermédiaire de chaîne carbonée de différentes « longueurs ».

Lors de la seconde étape, l’électrode présentant l’enzyme greffée à sa surface est plongée

pendant 12 h dans une solution tamponnée (pH = 7) contenant 0,01 M de médiateur. Cette

électrode est par la suite plongée dans une solution contenant 2,5 mg.L-1 de poly(éthylène

glycol)diglycidyl ether (PEGDGE) afin de réticuler les fonctions amines. Le film de polymère

est ensuite séché sous air durant 24 h. L’électrode est alors stockée à 4 °C dans une solution de

tampon phosphate dont le pH est fixé à 7,0.

Tube en graphite

Aminopropylpyrole + HClO4 0,5 M + NBu4PF6 0,1 M +Acétonitrile +Electropolymérisation à 1 V vs. Ag/AgCl

NH2

NH2

N=CH-(CH2)3-CHO

NH2

Immersion 3 h dans une solution de tampon carbonate 0,1 M (pH = 9,4) contenant 5% vol. de glutaraldéhyde

1) Enzyme NH-(CH2)5-NHEnzyme

NH2

Electrode présentant une chaîne carbonée « courte »

2) NaBH4

1) 1,6-diaminohexane

2) NaBH4

NH-(CH2)5-NH-(CH2)6-NH2

NH2

Immersion 3 h dans une solution de tampon carbonate 0,1 M (pH = 9,4) contenant 5% vol. de glutaraldéhyde NH-(CH2)5-NH-(CH2)6-N=CH-(CH2)3-CHO

NH2

NH-(CH2)5-NH-(CH2)6-NH-(CH2)5-NHEnzyme

NH2

1) Enzyme

2) NaBH4

Electrode présentant une chaîne carbonée « longue »

110

Dans la suite de cette partie, nous allons étudier, pour chacune des deux méthodes

d’immobilisation, les paramètres ayant un effet sur les performances électrochimiques des

électrodes GOD/HQS.

IV.1.2.2 Immobilisation de l’enzyme et du médiateur par adsorption

Lorsque l’immobilisation d’enzymes est réalisée par adsorption, et pour des temps d’adsorption

identiques, les seuls paramètres ayant un effet sur la performance de l’électrode sont l’épaisseur

du film de polymère et sa structure (« compacité »). Dans un premier temps, nous allons

commenter l’allure des courbes de la figure 42 obtenues en voltammétrie linéaire dans une

solution tamponnée (tampon phosphate pH = 7,4), non agitée, contenant 10 mM de glucose. Les

épaisseurs de film indiquées sont calculées à partir de l’équation 28.

t

0

M i(t)dt

e2FSρ

=∫

(Eq. 28)

avec e l’épaisseur du film, M la masse molaire du pyrrole, i l’intensité de courant traversant le

circuit au temps t, F la constante de Faraday, S la surface de l’électrode, ρ la masse volumique

du polypyrrole.

111

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

200

400

600

j / µ

A.c

m-2

E / V vs. ECS

(1)

(2)

Figure 42 : Courbes de voltammétrie linéaire obtenues avec des électrodes GOD/HQS

présentant une épaisseur du film de polypyrrole de 2 µm (1) et 1 µm (2). Ces courbes sont

obtenues en milieu tampon phosphate de pH = 7,4 en présence de 10 mM de glucose à la

température de 37 °C. La vitesse de variation du potentiel est de 5 mV.s-1.

Sur les courbes de la figure 42, l’oxydation du glucose commence clairement à -40 mV vs. ECS

avant d’atteindre un « pseudo-plateau » aux alentours de 0 V vs. ECS, ce qui montre que la

réaction semble être contrôlée par le transport de matière. Du fait de la non-agitation de la

solution électrolytique (condition de fonctionnement en pile), la limitation du courant par le

transport de matière est masquée par le comportement résistif du film de polypyrrole vis-à-vis de

la diffusion du glucose, phénomène traduisant l’augmentation quasi-linéaire du courant pour des

potentiels supérieurs à 0,1 V vs. ECS. Pour ces électrodes, le plateau de diffusion est mieux

marqué lorsque la même expérience est réalisée sous agitation de la solution [50].

Etant donné que le film de polypyrrole semble à l’origine résistant à la diffusion du substrat,

l’épaisseur de celui-ci fut modulé entre 0,5 et 2 µm. De plus, afin de faire varier la compacité du

film, nous avons réalisé, juste après l’étape d’électropolymérisation du pyrrole, un trempage des

électrodes dans une solution (pH = 7,2) contenant 1 vol. % de glutaraldéhyde pendant 30 min. En

effet la réticulation de film enzymatique de polypyrrole a déjà été réalisée et les études menées

112

montrent une augmentation de la stabilité du micro-environnement durant la réaction [171]. De

plus Gaikwad et col.[172] ont rapporté que ce type de traitement pouvait conduire à une

meilleure accessibilité des sites actifs de la GOD.

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

100

200

300

400

500

600

700

800

(5)

(4)

(3)(2)

j / µ

A.c

m-2

E / V vs. ECS

(1)

Figure 43 : Courbes de voltammétrie linéaire obtenues avec des bioanodes GOD/HQS en milieu

tampon phosphate de pH = 7,4 en présence de glucose 10 mM à 37 °C. (1) Film de 2 µm

d’épaisseur traité par le glutaraldéhyde (2) Film de 1 µm d’épaisseur traité par le glutaraldéhyde

(3) Film de 0,5 µm d’épaisseur traité par le glutaraldéhyde (4) Film de 2 µm d’épaisseur (5) Film

de 1 µm d’épaisseur. La vitesse de variation du potentiel est de 5 mV.s-1. L’activité de l’enzyme

en solution est de 15,7 U.mg-1.

Les résultats que nous avons obtenus (figure 43) montrent que la réticulation par le

glutaraldéhyde ne modifie pas l’allure générale des courbes. De plus, l’évolution des

performances électrochimiques en fonction de l’épaisseur du film de polymère n’est pas affectée

par la réticulation. Les tendances observées peuvent être expliquées par deux phénomènes :

- Aux faibles épaisseurs de film (0,5 µm), la densité de courant observée semble plus importante

du fait de l’épaisseur de la barrière diffusionnelle pour les substrats et les produits de la réaction

biochimique. L’augmentation de l’épaisseur de la barrière diffusionnelle pour des électrodes

113

présentant des films de polymères plus épais (1 µm) conduit à une diminution des densités de

courant.

- Aux épaisseurs de film les plus importantes (2 µm), la densité de courant d’oxydation du

glucose lors de l’activation de la réaction augmente du fait du piégeage plus important de

molécules d’enzyme au sein du film tridimensionnel de polypyrrole lors de l’étape

d’électropolymérisation.

La réticulation du film de polymère permet cependant d’augmenter les densités de courant

observées lors de l’oxydation de la molécule de glucose. Cela peut être expliqué par un meilleur

accès aux sites actifs de la GOD après réticulation du film [172]. La réticulation du film de

polymère engendre une augmentation du potentiel d’abandon du système de l’ordre de 40 mV.

Cette augmentation n’est pas favorable dans le but d’utiliser l’électrode considérée dans une

biopile. Une explication plausible à ce phénomène est un changement dans la distribution des

formes oxydée et réduite de la molécule HQS. En effet la présence de cette molécule à la surface

du tube carboné à l’état adsorbé peut favoriser ou défavoriser son oxydation.

IV.1.2.3. Immobilisation de la GOD par greffage covalent.

Cette partie a pour but de décrire l’allure des courbes voltammétriques obtenues avec des

électrodes GOD/HQS réalisées par greffage covalent de l’enzyme. Les chaînes carbonées

utilisées pour le greffage de l’enzyme sont de deux longueurs différentes (cf. figure 41). L’étape

de greffage est suivie d’une étape d’adsorption du médiateur électrochimique (HQS). Après

adsorption du médiateur, les électrodes sont plongées dans une solution de PEGDGE avant leur

séchage sous air. Les performances des électrodes obtenues sont présentées sur la figure 44.

114

Figure 44 : Courbes de voltammétrie linéaire obtenues avec des bioanodes GOD/HQS en milieu

tampon phosphate de pH = 7,4 en présence de 10 mM de glucose à 37 °C. (1) Avec un espaceur

présentant une longue chaîne carbonée. (2) Avec un espaceur présentant une chaîne carbonée

courte. La vitesse de variation du potentiel est de 5 mV.s-1. L’activité de l’enzyme en solution est

de 15,7 U.mg-1.

L’intérêt de faire varier la longueur de la chaîne carbonée de l’espaceur réside dans la possibilité

d’éloigner plus ou moins l’enzyme de la surface de l’électrode. En effet l’utilisation d’espaceurs

présentant une chaîne carbonée plus longue permet, a priori, d’augmenter la mobilité de la

molécule enzymatique à la surface de l’électrode et de faciliter ainsi l’approche du médiateur et

de la molécule de glucose vers la protéine. Toutefois, une augmentation de la longueur de la

chaîne carbonée de l’espaceur induit bien évidemment une augmentation de la distance enzyme-

électrode. Ceci tend à défavoriser les transferts électroniques entre l’enzyme et le support

conducteur.

Les courbes de la figure 44 ne montrent pas de variation significative en ce qui concerne

l’activité électrochimique des deux électrodes. Un léger décalage entre les potentiels d’équilibre

des deux électrodes est néanmoins visible puisque l’oxydation du glucose débute à -64 mV vs.

ECS pour l’électrode présentant un espaceur « court » contre -32 mV vs. ECS pour celle

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,40

100

200

300

400

j / µ

A.c

m-2

E / V vs. ECS

(1)

(2)

115

présentant un espaceur « long ». Ce décalage s’explique par une variation de distribution des

formes oxydée et réduite de la molécule HQS. Les deux courbes de la figure 44 présentent un

pseudo-palier d’oxydation autour de 50 µA.cm-2. Cela tend à montrer que l’oxydation du glucose

est cinétiquement limitée par le transport de matière. L’augmentation quasi-linéaire du courant

pour des valeurs de potentiel supérieure à 150 mV vs. ECS est due, comme dans le cas des

électrodes réalisées par adsorption enzymatique, au comportement résistif du film de PEGDGE

vis-à-vis de la diffusion de la molécule de glucose. Cette hypothèse est confirmée par les études

en microscopie électronique à balayage effectuées par Merle [54, 170] qui montrent que

l’épaisseur du film de PEGDGE sur ces électrodes est de l’ordre de 2,3 µm. La comparaison des

activités enzymatiques de ces électrodes avec celles réalisées par adsorption conduit à un résultat

surprenant. En effet Merle et col.[54] ont montré que les électrodes réalisées par greffage

covalent de l’enzyme restent stables pendant 30 jours. Les électrodes réalisées par adsorption de

l’enzyme ne conservent quant à elles que 40% de leur activité initiale au bout de ce même temps.

Cette propriété de stabilité est très intéressante en vue de la réalisation de sources d’énergie.

IV.2. Oxydation du glucose sur nanocatalyseurs bimétalliques Au-Pt.

Dans un premier temps, nous allons corréler les propriétés physiques des catalyseurs Au-Pt

(déterminées au chapitre III) avec leurs propriétés catalytiques pour la réaction d’oxydation de la

molécule de D-(+)-glucose. Dans un premier temps, cette étude se fera en milieu basique afin de

corréler directement les propriétés catalytiques des nanoparticules Au-Pt avec leur composition

de surface. L’étude en milieu basique permet aussi de s’affranchir des phénomènes d’adsorption

forte d’anions (espèces phosphatées, chlorures) ayant lieu dans les milieux de types

physiologiques.

116

IV.2.1. Influence de la composition du catalyseur. Etude de l’oxydation du D-(+)-glucose en milieu NaOH 0,1 M (pH 12,8)

IV.2.1.1 Corrélation entre composition de surface et allure des voltammogrammes.

L’étude sera menée à basse température (3 °C) de façon à favoriser la déshydrogénation de la

molécule de glucose à bas potentiels sur le platine [40]. Les voltammogrammes obtenus sont

présentés sur la figure 45.

117

% at. Au % at. Pt

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6

0

8

-8

0

8

-8

0

8

-808

16

-808

16

j / m

A.m

g-1

E / V vs. ECS

E

A B C

F

A B D

F

E

AB D

F

A B C

F

0 100

0 100

57 43

71 29

100 0

Figure 45 : Voltammogrammes obtenus après 19 cycles sur nanoparticules de composition

nominale Pt, Au20Pt80, Au70Pt30, Au80Pt20 et Au (de haut en bas) en milieu NaOH 0,1 M (pH =

12,8) en présence de 10 mM de glucose à la température de 3 °C. La vitesse de variation du

potentiel est de 20 mV.s-1. Les compositions de surface sont données à droite des

voltammogrammes pour chaque catalyseur.

118

Les voltammogrammes de la figure 45 font apparaître différents pics d’oxydation de la molécule

de D-(+)-glucose. La molécule de glucose semble s’oxyder à différents potentiels. Au vu des

voltammogrammes, il est clair que l’intensité du pic A, situé à environ -0,7 V vs. ECS, diminue

lorsque le pourcentage de platine à la surface du catalyseur décroît. Ce pic est, de plus, absent

lorsque le catalyseur est totalement constitué de nanoparticules d’or. Ce résultat indique que ce

pic d’oxydation semble lié à un phénomène d’oxydation sur le platine. Il a été attribué par de

nombreux auteurs à la déshydrogénation du carbone anomérique de la molécule de glucose sur le

platine [38, 41, 131, 173]. Le phénomène d’oxydation lié à ce pic serait de plus cinétiquement

contrôlé par l’adsorption [39]. Les pics B et C se trouvent dans une région de potentiels où a lieu

la formation des hydroxydes. Ces deux pics sont supposés correspondre à l’oxydation directe de

la molécule de glucose [39, 131]. Dans le cas des catalyseurs de composition nominale Au70Pt30

ou Au80Pt20, une série de pics d’oxydation difficiles à discerner sont présents dans la région de

potentiel comprise entre -0,3 et 0,5 V vs. ECS. La non-différenciation des pics induit une

difficulté quant à l’attribution hypothétique d’un mécanisme réactionnel, selon les données de la

littérature. Cependant il est probable que ces pics soient liés à l’oxydation directe de la molécule

de glucose sur les espèces oxygénées formées à la surface du catalyseur. Il est tout de même

notable que l’oxydation du glucose sur ces catalyseurs commence à de plus faibles valeurs de

potentiel (i.e. -0,8 V vs. ECS) que sur l’or. De plus, les densités de courant obtenues dans la

région de formation des hydroxydes d’or et de platine, sont élevées (i.e. 12 mA.mg-1). Ceci est

probablement dû à un effet de synergie entre hydroxydes d’or et de platine sur le matériau allié

[131]. Des effets de synergie entre l’or et le platine ont déjà été observés dans le cadre de l’étude

de l’oxydation du CO par Mott et col. [43]. L’oxydation du glucose sur des nanoparticules d’or

est clairement démontrée sur la figure 45 et l’activité des espèces Au-OH au cours du processus

catalytique, bien identifiée [34, 35, 174]. Il faut également noter qu’après la déshydrogénation de

la molécule de glucose, la densité de courant augmente de manière importante à partir de -0,5 V

vs. ECS sur les catalyseurs de composition nominale Au70Pt30 ou bien Au80Pt20. Sur le platine

seul, l’intensité de courant n’augmente que pour des valeurs de potentiels de l’ordre de -0,3 V vs.

ECS. Dans le cas des catalyseurs de composition nominale Au70Pt30 ou Au80Pt20, deux nouveaux

pics d’oxydation (E et F) sont visibles lors de la variation négative de potentiel. Dans le cas du

pic E, lorsque le potentiel devient assez négatif pour réduire la surface d’or, des espèces

hydroxyles se désorbent et restent au voisinage de la surface catalytique. Cela induit une

119

désorption de la lactone adsorbée à la surface du catalyseur. Lors de la réduction de la surface de

platine, le même phénomène se traduit par l’apparition du pic d’oxydation F [175]. Il est

intéressant de noter que ce pic se décale vers les bas potentiels à mesure que le pourcentage en

Au à la surface des catalyseurs augmente. Ainsi l’oxydation de la lactone adsorbée a lieu à de

plus faibles potentiels (i.e. -0,7 V vs. ECS) sur un catalyseur de type Au70Pt30 que sur le platine

seul. Les activités catalytiques singulières exhibées par des catalyseurs de composition nominale

Au70Pt30 ou bien Au80Pt20 sont probablement le résultat couplé d’une composition de surface

appropriée et d’une structure cristallographique spécifique. En effet, la présence conjointe de l’or

et du platine à la surface du catalyseur permet à la fois de promouvoir la déshydrogénation de la

molécule de glucose à bas potentiel (rôle du platine) et d’augmenter les densités de courant

d’oxydation [131, 176]. De plus la morphologie des particules Au70Pt30 (décrite dans la partie III)

fait état de nombreuses facettes d’orientation (111) et de défauts de surface (marche atomique)

pouvant être à l’origine d’une augmentation de la cinétique d’oxydation. Cette propriété est

intéressante en vue de l’utilisation de catalyseur Au-Pt pour l’oxydation du D-(+)-glucose dans

une pile glucose/O2.

IV.2.1.2 Effet du taux de charge du catalyseur

Afin de vérifier l’effet du taux de charge du catalyseur sur les performances électrochimiques,

des catalyseurs de composition nominale Au70Pt30 présentant différents taux de charge en métal

ont été synthétisés. Le but de cette étude est de déterminer le taux de charge qui permet d’obtenir

les meilleures activités catalytiques. Le taux de charge réel de chaque catalyseur a été vérifié par

analyse ATG ; il est ensuite calculé par soustraction de la perte de masse due au carbone Vulcan

XC 72R. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 7.

Taux de charge visé (%) 20% 40% 60% 80% Taux de charge réel (%) 17% 34% 57% 75%

Tableau 7 : Comparaison entre les taux de charge métallique visés et réels pour Au70Pt30

120

Le tableau 7 montre que le taux de charge réel des catalyseurs synthétisés est conforme dans tous

les cas avec le taux de charge visé. La figure 45 montre les voltammogrammes obtenus en milieu

NaOH 0,1M avec des catalyseurs de composition nominale Au70Pt30 présentant différents taux de

charge.

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6

-20

-10

0

10

20

30

20 % 40 % 60 % 80 %

j / m

A.m

g-1

E / V vs. ECS

Figure 46 : Voltammogrammes obtenus en milieu NaOH 0,1 M à température ambiante et à pH

= 12,8 avec des nanocatalyseurs de composition nominale Au70Pt30 présentant des taux de charge

métallique allant de 20 à 80%. La vitesse de variation du potentiel est de 50 mV.s-1.

L’allure des voltammogrammes présentés sur la figure 46 est conforme à celle obtenue sur la

figure 26 (cf. partie III). La variation du taux de charge métallique s’accompagne cependant

d’une variation du courant non-faradique. Ce dernier diminue lorsque le taux de charge

métallique augmente, ce qui peut clairement être décrit par une diminution du ratio entre la

masse de Vulcan XC 72R introduite et la masse de métal. La présence de plus de Vulcan XC

72R induit, en régime dynamique, une répartition différente des charges électriques à l’interface

électrode-électrolyte. En effet selon le taux de charge métallique, l’électrode peut présenter en

surface un déficit ou un excès d’électrons comblé par un excès ou un défaut de charges ioniques

du côté de l’électrolyte. Cette variation dans la répartition des charges induit une variation de la

valeur de la capacité de double-couche. En présence de glucose, l’intensité de courant totale

121

associée à l’oxydation de la molécule est, pour chaque catalyseur, la somme du courant faradique

et du courant capacitif. C’est la raison pour laquelle nous avons soustrait la contribution du

courant obtenu en milieu support pour présenter l’activité spécifique des catalyseurs qui

présentent différents taux de charge métallique. Les courbes obtenues sont présentées sur la

figure 47.

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,60

5

10

15

20

25

30

35

40

45

20% 40% 60% 80%

j-jm

ilieu

sup

port /

mA

.mg-1

E / V vs. ECS

Figure 47 : Courbes intensité-potentiel obtenues sous agitation en présence de glucose 10 mM

en milieu NaOH 0,1 M à température ambiante avec des nanocatalyseurs de composition

nominale Au70Pt30 présentant différents taux de charge. La vitesse de variation du potentiel est de

50 mV.s-1.

Sur chacun des catalyseurs présentés, l’oxydation du glucose commence en « région hydrogène »

avec la déshydrogénation du carbone anomérique de la molécule de glucose. Le taux de charge

métallique ne semble pas affecter le potentiel de début d’oxydation. L’activité massique la plus

importante est obtenue avec un taux de charge métallique de 40% avec une densité de courant de

41 mA.mg-1. Pour des taux de charges plus élevés, l’activité massique décroît du fait d’une

diminution forte de la surface électroactive due à la formation importante d’agglomérats et à la

présence en faible nombre de nanoparticules isolées. Cependant, dans la gamme de potentiels

comprise entre -0,8 et -0,4 V vs. ECS, la densité de courant la plus importante est obtenue avec le

122

catalyseur dont le taux de charge est de 20%. Ceci peut être expliqué par une oxydation du

glucose ayant lieu sur des nanoparticules isolées. En effet pour des faibles taux de charges (i.e.

20%), les nanoparticules Au-Pt sont bien disséminées à la surface du support carboné. Lorsque le

taux de charge augmente, le nombre et la taille des agrégats de particules augmentent. La

formation d’oxyde métallique au sein de ces agrégats est plus aisée que sur des particules isolées.

Ceci explique pourquoi l’activité massique du catalyseur présentant un taux de charge de 40%

est supérieure dans la région de formation des oxydes d’or et de platine comprise entre -0,4 et

0,5 V vs. ECS. Cela peut être expliqué par des effets stériques, induisant une adsorption

préférentielle des espèces oxygénées au sein des agglomérats, conduisant à une désorption plus

rapide de la molécule adsorbée à la surface du catalyseur. Dans la suite de ces études, nous

travaillerons donc avec des catalyseurs présentant un taux de charge métallique de 40%.

IV.2.2. Application : étude de l’oxydation du D-(+)-glucose en milieu tampon

phosphate.

IV.2.2.1 Allure des voltammogrammes

Cette partie traite de l’oxydation de la molécule de D-(+)-glucose en milieu tampon phosphate

(pH = 7,4), milieu se rapprochant des milieux physiologiques. Les courbes voltammétriques

obtenues en présence de glucose 10 mM, à la température de 37 °C, sont présentées sur la figure

48.

123

-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6

-4

0

4

8

12 Au Au

70Pt

30

Pt

j / m

A.m

g-1

E / V vs. ECS

Figure 48 : Voltammogrammes enregistrés après 19 cycles à 37 °C en milieu tampon phosphate

(pH = 7,4) et de concentration 0,2 M contenant du glucose (10 mM). La vitesse de variation du

potentiel est de 20 mV.s-1.

La figure 48 montre très clairement l’intérêt d’utiliser un catalyseur de composition nominale

Au70Pt30 pour oxyder la molécule de D-(+)-glucose dans des milieux de type physiologique. En

effet, sur ce catalyseur, la densité de courant d’oxydation augmente très rapidement après la

déshydrogénation de la molécule de glucose pour atteindre 11,4 mA.mg-1 à un potentiel de

0,3 V vs. ECS. Ce phénomène est nettement plus marqué sur des nanoparticules de composition

nominale Au70Pt30 que sur de l’or pur (cas où la déshydrogénation de la molécule de glucose à

bas potentiels n’a pas lieu) ou de platine seul (cf. figure 48). Nous avions montré en milieu

basique (milieu dans lequel il n’y a pas d’adsorption forte d’anions) que la densité de courant

obtenue à bas potentiels (i.e. -0,7 V vs. ECS) était clairement dépendante de la fraction atomique

de platine à la surface du catalyseur. De plus cette dernière était d’autant plus importante que le

pourcentage atomique de platine à la surface était grand. Or, sur la figure 48, les densités de

courant obtenues à bas potentiels sur des nanoparticules de composition nominale Au70Pt30 et Pt

sont quasi-identiques. Pour expliquer ce phénomène, l’adsorption compétitive entre les espèces

phosphatées et la molécule de glucose sur le platine peut être avancée. En effet, il a été montré

par De Mele et col.[177] que les espèces phosphatées ont le pouvoir de créer des liaisons

124

oxygène-métal à la surface du platine. Ces espèces peuvent ainsi inhiber l’oxydation du glucose

par occupation de certains sites catalytiques, ce qui expliquerait la faible densité de courant

obtenue à bas potentiels sur le platine. Il est aussi possible que la modification de l’énergie de

l’orbitale 5d du platine [44, 158] due à la présence de l’or au sein du matériau bimétallique

permette de défavoriser l’adsorption des espèces phosphatées à la surface du catalyseur. La

modification de l’énergie de surface du catalyseur ou bien les effets géométriques pourraient

également « insensibiliser » la surface du catalyseur à la présence des espèces phosphatées. Ces

hypothèses peuvent, à elles seules, expliquer le phénomène observé à bas potentiels sur le platine

et sur le catalyseur de composition nominale Au70Pt30. En outre, l’oxydation du glucose sur le

nanocatalyseur Au70Pt30 commence à un potentiel remarquablement bas (i.e. -0,5 V vs. ECS) qui

peut d’ailleurs être comparé à ce qui est observé lors de l’utilisation de catalyseur Pt [41], Pt-Ru

[29], Pt-Bi [29], Pt-Sn [29], Pt-Pd [178] ou bien encore Pt2-Pb [23].

IV.2.2.2 Etude chronoampérométrique

Dans cette partie, nous allons tester les catalyseurs Au-Pt dans les conditions correspondant à un

état stationnaire. Cette méthode consiste à imposer un potentiel fixe à l’électrode puis à

enregistrer la courbe donnant la valeur de l’intensité en fonction du temps. Ainsi, nous pourrons

avoir accès à l’activité du catalyseur à un potentiel donné.

125

0 50 100 150 200 250 3000,01

0,02

0,03

0,04

Pt Au

20Pt

80

Au80

Pt20

j / m

A.m

g-1

t / s

Figure 49 : Chronoampérogrammes enregistrés à température ambiante (22 °C) en milieu

tampon phosphate de pH 7,4 et de concentration 0,2 M contenant 0,1 M de glucose. Le potentiel

est fixé à -0,38 V vs. ECS.

Les tests effectués à bas potentiels (i.e. -0,38 V vs. ECS) montrent une augmentation de l’ordre

de 15% en ce qui concerne la valeur de la densité de courant d’oxydation après 300 s lorsque

l’électrocatalyseur Au80Pt20 est utilisé en lieu et place du platine. Cela laisse supposer que l’or est

responsable d’une régénération plus rapide des sites catalytiques du platine en permettant une

désorption plus rapide des « espèces poisons ». Cet effet promoteur est sans aucun doute le fruit

de la présence conjointe de l’or et du platine à la surface du catalyseur. Dans le cas du catalyseur

de composition nominale Au80Pt20, une augmentation de la densité de courant est aussi observée.

La composition de surface de ce catalyseur semble exempte d’or ; cela semble dans ce cas

indiquer que l’augmentation des densités de courant est due aux modifications de la structure

électronique de la bande de valence du platine.

Cette étude, réalisée dans des conditions stationnaires, montre de manière claire l’intérêt de

l’utilisation d’un catalyseur de composition nominale présentant une forte teneur en or, pour

oxyder la molécule de glucose dans une pile glucose/O2.

126

IV.2.2.3. Effet de la température sur l’oxydation du D-(+)-glucose

Cette étude est réalisée pour des températures variant de 5 à 40 °C. Le but de l’étude est de

déterminer, pour chaque pic observé en voltammétrie, l’énergie apparente d’activation lors du

processus d’oxydation de la molécule de glucose. Cette valeur est calculée en traçant pour chaque pic

d’oxydation la courbe log(jM)=f(1/T) à partir des voltammogrammes obtenus. L’énergie apparente

d’activation est ensuite déterminée à l’aide de la loi d’Arrhenius donnée par l’équation 29.

,

(log( ))1 2,3( )

aM

E C

Ej

RT

δ

δ= −

Eq. 29

avec Mj la densité de courant (à laquelle à été soustraite la contribution du milieu support) au

niveau du pic pour un potentiel moyen E, T la température en K, Ea l’énergie apparente

d’activation en kJ.mol-1, R la constante des gaz parfaits et C la concentration du glucose

(0,01 M).

Cette valeur permet de statuer sur l’étape cinétiquement limitante du processus d’oxydation. En

effet, conformément à la littérature [179], nous supposerons qu’une valeur d’énergie apparente

faible (i.e. inférieure à 50 kJ.mol-1) est le signe d’un processus gouverné par la diffusion. Par

contre, lorsque la valeur de Ea sera supérieure à 50 kJ.mol-1, le processus d’oxydation pourra être

supposé cinétiquement limité par l’adsorption. Cette supposition est basée sur le fait que le

processus de diffusion ne contribue pas à l’augmentation de l’énergie apparente d’activation. Au

cours de cette étude nous présenterons le cas où des nanoparticules d’or, de platine et de

composition nominale Au70Pt30 sont utilisées en tant que nanocatalyseurs lors de l’oxydation de

la molécule de glucose. Les voltammogrammes obtenus avec chaque catalyseur permettant de

comprendre l’évolution des pics d’oxydation avec la température du milieu réactionnel sont

présentés sur la figure 50. Pour le calcul de l’énergie apparente d’activation, la contribution du

support à la densité de courant totale a été soustraite pour chaque température (cf. courbe figure

50). La valeur du coefficient de corrélation R obtenu est mentionnée dans chaque cas.

127

-600 -400 -200 0 200 400 600 800-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

j /

mA

.mg-1

E / mV vs. ECS

5 °C 15 °C 25 °C 40 °C

A)A

B C

D

3,2 3,3 3,4 3,5 3,6-2,0

-1,8

-1,6

-1,4

-1,2

-1,0 Pic A R = 0,967 Pic B R = 0,995 Pic C R = 0,993 Pic D R = 0,982

log(

j M)

/ mA

.mg-1

103/T / K-1

A)

-600 -400 -200 0 200 400 600 800-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

j / m

A.m

g-1

E / mV vs. ECS

5 °C 15 °C 25 °C 40 °C

B)

AB

C

DE

3,2 3,3 3,4 3,5 3,6

-1,8

-1,6

-1,4

-1,2

-1,0

-0,8

log(

j M)

/ mA

.mg-1

103/T / K-1

Pic A R = -0,998 Pic B R = -0,998 Pic C R = -0,997 Pic D R = -0,971 Pic E R = -0,992

B)

-600 -400 -200 0 200 400 600 800

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

j / m

A.m

g-1

E / mV vs. ECS

5 °C 15 °C 25 °C 40 °C

A

B

C)

3,2 3,3 3,4 3,5 3,6-2,1

-2,0

-1,9

-1,8

-1,7

-1,6

-1,5

-1,4

log(

j M)

/ mA

.mg-1

103/T / K-1

Pic A R = -0,995 Pic B R = -0,999

C)

Figure 50 : Voltammogrammes obtenus en milieu tampon phosphate (pH = 7,4) à la

128

Sur les voltammogrammes de la figure 50, pour chaque catalyseur, l’intensité des pics

d’oxydation augmente avec la température. Seul le pic de déshydrogénation du carbone

anomérique de la molécule de glucose semble déroger à cette règle. En effet, tant sur les

nanoparticules de platine que sur celles de composition nominale Au70Pt30, l’intensité du pic A

diminue pour des températures supérieures à 25 °C. Ce phénomène a déjà été observé dans des

études antérieures réalisées au laboratoire [33]. En effet la diminution de la densité de courant

d’oxydation pour des températures supérieures à 25 °C pourrait traduire un éventuel changement

de mécanisme d’oxydation ou bien l’existence d’une réaction compétitive. Les énergies

apparentes d’activation calculées pour chaque pic sont données dans le tableau 8.

Catalyseur Au Pt Au70Pt30

Nom du pic Pic A Pic B Pic A Pic B Pic C Pic D Pic A Pic B Pic C Pic D Pic E

Ea (kJ.mol-1) 22,8 23,8 35 50,6 41,9 21,8 48,1 30 40,4 20,9 37,6

Tableau 8 : Valeurs des énergies apparentes d’activation calculées pour chaque pic de

voltammétrie et pour chaque catalyseur.

D’un point de vue général, les énergies d’activation calculées restent inférieures à 50 kJ.mol-1, ce

qui laisse à penser que, quels que soient le catalyseur AuxPty utilisé et le pic voltammétrique

considéré, la réaction d’oxydation est cinétiquement limitée par la diffusion de la molécule de

glucose. Cette observation est on ne peut plus juste dans le cas de l’or. En effet les valeurs de Ea

sont typiques de phénomènes d’oxydation gouvernés par un processus de diffusion pure [179].

Pour les catalyseurs à base de nanoparticules de platine et de composition Au70Pt30, les énergies

apparentes d’activation obtenues sont globalement plus élevées, ce qui suggère une plus grande

contribution de l’étape d’adsorption dans le mécanisme réactionnel. Cependant, il est difficile de

concentration de 0,2 M en présence de glucose 10 mM pour différentes températures A) Avec

des nanoparticules de platine B) Avec des nanoparticules de composition Au70Pt30 C) avec des

nanoparticules d’or. La vitesse de variation du potentiel est de 20 mV.s-1. Les droites

log(jM)=f(1/T) sont données pour chaque catalyseur.

129

déterminer, avec certitude, l’étape cinétiquement limitante pour chacun des pics. Une étude

complémentaire permettant de visualiser l’effet de la variation de la vitesse de variation du

potentiel serait en effet nécessaire. Elle permettrait de déterminer la dépendance entre la valeur

du courant au maximum du pic et la vitesse de variation du potentiel. Cette dépendance permet

en effet de déterminer l’étape cinétiquement limitante du processus électrochimique. De même,

l’évolution de la position du pic permettrait de conclure quant au caractère réversible ou

irréversible du processus électrochimique.

IV.2.2.4 Effet de la concentration en D-(+)-glucose

Cette étude a pour but de montrer l’influence de la concentration du glucose lors de son

électrooxydation à des pH physiologiques et à une température de 37 °C. Pour cela, nous avons

fait varier la concentration en réactif entre 1 mM et 100 mM en utilisant un catalyseur composé

de nanoparticules d’or, de platine et de composition nominale Au70Pt30. Les voltammogrammes

obtenus lors de cette étude sont présentés sur la figure 51.

-600 -400 -200 0 200 400 600 800-10

-5

0

5

10

15

20

25

j / m

A.m

g-1

E / mV vs. ECS

Support 1 mM 10 mM 25 mM 50 mM 75 mM 100 mM

A)

130

-600 -400 -200 0 200 400 600 800

-10

0

10

20

30

40

j / m

A.m

g-1

E / V vs. ECS


B)

-600 -400 -200 0 200 400 600 800-5

0

5

10

15

20

25

j / m

A.m

g-1

E / mV vs. ECS


C)

Figure 51 : Voltammogrammes obtenus à 37 °C en milieu tampon phosphate de pH = 7,4 à la

concentration de 0,2 M en présence de différentes concentrations de glucose. Ces

voltammogrammes sont obtenus avec A) des nanoparticules de platine, B) des nanoparticules de

composition Au70Pt30, C) des nanoparticules d’or en tant que catalyseurs. La vitesse de variation

du potentiel est de 20 mV.s-1.

L’augmentation de la concentration en glucose se traduit dans tous les cas par une augmentation

de la densité de courant au niveau des pics d’oxydation. Une variation des voltammogrammes

obtenus est visible dès que la concentration en glucose atteint 1 mM quel que soit le catalyseur

utilisé. Cependant, dans le cas du platine, un effet de saturation est observé pour des

concentrations supérieures à 75 mM, phénomène non observé lorsque des nanocatalyseurs d’or

131

ou de composition Au70Pt30 sont utilisés. En effet sur ces derniers, les densités de courant au

niveau des différents pics d’oxydation semblent augmenter linéairement avec la concentration

dans la gamme étudiée sauf pour ce qui est du pic de déshydrogénation de la molécule de

glucose à bas potentiels. Dans le cas du catalyseur Au70Pt30, un élargissement des pics

d’oxydation est observé à mesure que la concentration en glucose augmente. Cela est

vraisemblablement le signe d’une irréversibilité de surface du catalyseur. En effet au cours du

processus électrochimique, la surface n’est pas entièrement renouvelée. Hormis dans le cas du

pic de déshydrogénation du carbone anomérique de la molécule de glucose, un décalage des pics

d’oxydation vers les hauts potentiels est observé à mesure que la concentration augmente. Cela

traduit le fait que lorsque la concentration en glucose augmente, l’adsorption des espèces

oxygénées à la surface du catalyseur nécessite un apport énergétique plus important.

IV.3. Conclusion du chapitre IV

Dans ce chapitre, nous avons tout d’abord étudié l’oxydation du D-(+)-glucose catalysée par une

enzyme, la glucose oxydase. Deux méthodes d’immobilisation de l’enzyme ont été étudiées. La

première méthode vise à immobiliser l’enzyme et son médiateur dans une matrice électrogénerée

de polypyrrole. Les résultats obtenus ont permis de conclure sur l’effet de l’épaisseur et de la

compacité du film de polymère. Nous avons donc montré qu’une épaisseur de film faible

permettait de limiter l’épaisseur de la barrière diffusionelle, ce qui entraîne une meilleure

diffusion des substrats et produits de la réaction biochimique. Dans un second temps

l’augmentation de l’épaisseur du film de polymère conduit à une augmentation des densités de

courant d’oxydation lors de l’activation en raison d’une augmentation de la quantité d’enzyme

immobilisée dans la structure du film de polypyrrole. D’une manière générale la réticulation du

film enzymatique a conduit à une augmentation des densités de courant. Cela peut être expliqué

par une modification du micro-environnement de la molécule enzymatique. La seconde méthode

d’immobilisation utilisée consiste à greffer l’enzyme sur le support carboné par liaison

covalente. Les résultats obtenus n’ont pas permis de montrer avec certitude une quelconque

évolution des performances de l’électrode lorsque la longueur de l’espaceur varie.

132

Nous avons par ailleurs étudié l’oxydation de la molécule de D-(+)-glucose sur nanoparticules

AuxPty. Nous avons observé par voltammétrie une profonde modification des activités

électrocatalytiques lorsque la composition nominale du matériau d’électrode varie. Pour des

compositions nominales Au70Pt30 ou bien Au80Pt20, un effet de synergie entre l’or et la platine a

clairement été démontré. De plus, l’augmentation de l’activité de ces catalyseurs

nanoparticulaires peut aussi être associée à leur morphologie particulière. En effet, nous avions

montré au chapitre III que ces particules présentaient de nombreuses facettes orientées selon les

plans de bas indices de Miller. La surface de ces particules comporte en outre de nombreuses

marches atomiques pouvant favoriser l’oxydation de molécules organiques. L’étude en milieu

tampon phosphate a permis de mettre en évidence le caractère particulièrement actif des

nanoparticules de composition Au70Pt30 vis-à-vis de l’oxydation du glucose dans des milieux

électrolytiques proches des milieux physiologiques. L’étude voltammétrique dans la région de

déshydrogénation de la molécule de glucose ainsi que l’étude chronoampérométrique à bas

potentiels montrent clairement que la présence d’or permet de modifier significativement le

niveau d’énergie de la bande de valence du platine. Il en résulte une « insensibilisation » de la

surface électroactive de platine envers l’adsorption des espèces phosphatées et une augmentation

des densités de courant lors des expériences de chronoampérométrie à bas potentiels.

L’étude de l’effet de la température fait état d’énergies apparentes d’oxydation relativement

faibles (i.e. inférieures à 50 kJ.mol-1). Cela traduit que les processus d’oxydation sont dans la

plupart du temps cinétiquement limités par la diffusion.

Dans le prochain chapitre, nous détaillerons dans un premier temps les différentes méthodes

d’obtention de biocathodes afin de réaliser des biopiles glucose/O2. Dans un second temps nous

détaillerons les résultats lors des tests en pile.

133

CHAPITRE V : RÉDUCTION ENZYMATIQUE DU

DIOXYGÈNE DISSOUS ET RÉALISATION D’UNE

BIOPILE GLUCOSE/O2

134

Dans ce chapitre, nous allons étudier brièvement différentes méthodes d’immobilisation de la

BOD. Cette enzyme a été choisie en raison des performances qu’elle présente dans des milieux

de type physiologique (cf. chapitre I). Une étude des différents paramètres affectant les

performances des électrodes est réalisée à titre exploratoire dans le but d’obtenir une cathode

stable et performante permettant la réalisation d’un test en pile. Dans un second temps, nous

étudierons les performances d’une biopile complète glucose/O2 où les catalyseurs sont des

enzymes (GOD, BOD). Enfin nous étudierons les performances d’une biopile « hybride »

utilisant des nanoparticules Au-Pt en tant que catalyseur anodique et la BOD comme catalyseur

cathodique.

V.1 Réduction du dioxygène catalysée par la BOD.

V.1.1 Etude voltammétrique de l’acide 2,2’-azinobis-3-ethylbenzothiazoline-5-sulfonique (ABTS).

Au cours de cette étude nous avons choisi de réaliser la réduction de dioxygène par un catalyseur

enzymatique, la BOD. Le transfert électronique entre la surface de l’électrode et l’enzyme, se

fera de manière indirecte. Nous utiliserons en effet un médiateur électrochimique : la molécule

ABTS. Cette molécule a déjà été utilisée à de nombreuses reprises dans la littérature en tant que

médiateur associé à la BOD [54, 111, 164, 180, 181]. Il a aussi été démontré que l’oxydation de

ABTS2- en ABTS.-, catalysée par la BOD, et s’accompagnant de la réduction concomitante du

dioxygène en eau, avait lieu à un pH optimum de 4 [112]. Cependant Tsujimura et col. [111] ont

montré que la réaction de réduction du dioxygène catalysée par le système bilirubine

oxydase/ABTS conduisait à de performances catalytiques significatives en milieu tampon

phosphate de pH 7,0. Dans une autre étude Tsujimura et col. confirment que le courant délivré

par une telle électrode est du même ordre de grandeur que celui obtenu en utilisant le complexe

[Os(CN)6]4- en tant que médiateur électrochimique [110]. Le comportement voltammétrique de

la molécule ABTS est présenté sur la figure 52.

135

-200 0 200 400 600 800

-200

-100

0

100

200

300

400

I / µ

A

E / mV vs. ECS

Figure 52 : Voltammogrammes obtenus à température ambiante en milieu tampon phosphate de

pH 7,4 à la concentration de 0,2 M en présence de 0,5 mM d’ABTS. L’électrode de travail est un

tube de carbone. La vitesse de variation du potentiel est de 10 mV.s-1.

Le voltammogramme fait état d’un système quasi-réversible, le pic d’oxydation étant situé à

516 mV et celui de réduction, à 388 mV vs. ECS. Le potentiel redox apparent du système ABTS

oxydée/ABTS réduite est donc de 450 mV vs. ECS. Cette valeur est conforme à celle donnée

dans la littérature [182] ; elle est très proche du potentiel redox du site T1 de la BOD (430 mV vs.

ECS [183]) provenant de la souche Myrothecium verrucaria. Cependant l’écart faible entre deux

valeurs de potentiels redox ne semble pas propice, d’un point de vue thermodynamique, à un

transfert rapide d’électrons entre le médiateur et l’enzyme. Cependant la possibilité d’un transfert

électronique de type « uphill » [111] entre les deux molécules justifie l’utilisation de cette

molécule en tant que médiateur électrochimique. Le potentiel à circuit ouvert de l’électrode sera

régi par le rapport des activités des formes oxydée (ABTS.-) et réduite (ABTS2-) de la molécule

ABTS (Equation 30) dont les structures chimiques sont données sur la figure 53.

ox redi 0 ABTS /ABTS 2

RT a(ABTS )E E ln

F a(ABTS )

•−°

= −= + (Eq. 30)

136

Figure 53 : Structure chimique de la forme réduite (ABTS2-) et de la forme oxydée (ABTS.-) de

la molécule ABTS, selon [95].

V.1.2 Immobilisation de l’enzyme et du médiateur dans une matrice de polypyrrole.

La méthode d’immobilisation utilisée ici est tout à fait similaire à celle utilisée lors de

l’immobilisation de la GOD et de la molécule HQS au sein d’un film de polypyrrole (cf. chapitre

III). Pour cette raison, la méthode d’immobilisation ne sera pas détaillée dans cette partie. Les

électrodes ont été réalisées au Laboratoire de l’IEM de Montpellier 2.

V.1.2.1 Effet de l’épaisseur du film de polypyrrole

Dans un premier temps, nous avons évalué l’effet de l’épaisseur du film de polypyrrole sur la

performance des électrodes BOD/ABTS. L’influence de ce paramètre est clairement démontrée

par la figure 54 qui représente le courant obtenu (celui-ci est normalisé avec la surface

géométrique de l’électrode) en fonction du potentiel appliqué à l’électrode. Le film de polymère

est sans conteste responsable d’une résistance à la diffusion du substrat et/ou du produit de

réaction. Cela influe donc fortement sur les performances catalytiques des électrodes.

2 L’immobilisation des enzymes sur conducteur électronique a été réalisée en collaboration avec S. Tingry, chargée de recherche au CNRS

137

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

-400

-300

-200

-100

0

j / µ

A.c

m-2

E / V vs. ECS

(1)

(2)

Figure 54: Courbes de voltammétrie linéaire obtenues à 37 °C avec des électrodes BOD/ABTS

présentant différentes épaisseurs de film de polypyrrole en milieu tampon phosphate de pH = 7,4

et à la concentration de 0,2 M. (1) la coulométrie du film est de 4 C (3,6 µm) ; (2) la coulomérie

du film est de 2 C (1,8 µm). La solution est préalablement saturée en O2. L’activité de la BOD en

solution est de 2,6 U.mg-1. La vitesse de variation du potentiel est de 5 mV.s-1.

Sur la figure 54 présentant les performances de l’électrode BOD/ABTS dont le film de polymère

a une épaisseur de 3,6 µm, le courant de réduction apparaît dès 0,4 V vs. ECS. Les densités de

courant obtenues augmentent clairement lorsque l’épaisseur du film de polypyrrole diminue. En

effet, à 0,2 V vs. ECS, le courant de réduction atteint une valeur de 215 µA.cm-2 pour une

électrode présentant un film d’une épaisseur de 3,6 µm contre 340 µA.cm-2 pour une électrode

dont le film de polymère a une épaisseur de 1,8 µm. Il est probable que la polymérisation du

pyrrole réalisée en utilisant une forte quantité d’électricité conduise à une plus difficile

accessibilité des centres actifs de l’enzyme par les différents substrats [164]. Cette difficile

accessibilité rend également plus compliqué le transfert électronique entre enzyme et substrats,

ce qui, par voie de conséquence, entraîne une limitation de la cinétique de la réaction

bioélectrochimique.

138

V.1.2.2 Effet de la réticulation du film de polypyrrole.

Nous avons par ailleurs, comme dans le cas des électrodes GOD/HQS, évalué l’effet de la

réticulation du film de polypyrrole par le glutaraldéhyde sur les performances électrochimiques

des électrodes BOD/ABTS. Différents temps de réticulation ont été étudiés. La technique

consiste à immerger les électrodes réalisées dans une solution contenant 1 vol. % de

glutaraldéhyde. Les résultats obtenus peuvent être visualisés sur la figure 55. Cette technique de

réticulation a été utilisée à de nombreuses reprises [171, 172]. Le but est de limiter les pertes de

médiateurs ou d’enzyme en rendant le film de polymère plus compact ; même si une

augmentation de la compacité du film peut nuire à la diffusion du dioxygène et du médiateur.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

j / µ

A.c

m-2

E / V vs. ECS

(1)

(2)

(3)

Figure 55: Courbes de voltammétrie linéaire obtenues à 37 °C en milieu tampon phosphate de

pH = 7,4 à la concentration de 0,2 M. La solution a été préalablement saturée en O2. Les

électrodes utilisées ont été immergées dans une solution à 1% en glutaraldéhyde. Différents

temps de traitement ont été réalisés. (1) 30 min de traitement ; (2) 15 min de traitement (3) sans

traitement. L’activité de la BOD en solution est de 2,6 U.mg-1. La vitesse de variation du

potentiel est de 5 mV.s-1.

139

Au vu de la figure 55, il semble que le traitement au glutaraldéhyde ait un effet défavorable sur

les performances des électrodes BOD/ABTS. Il est en effet probable que l’étape de réticulation

rende très difficile l’accès de la molécule ABTS au site T1 de l’enzyme ; cela entraîne une très

forte diminution de la cinétique de réduction du dioxygène, ce qui peut être dû :

- à une augmentation de la compacité du film limitant ainsi la diffusion du médiateur à la surface

de l’électrode.

- à une modification de l’environnement du site T1 de l’enzyme, modifiant ainsi sa géométrie et

limitant l’accès de la molécule d’ABTS au centre actif.

V.1.2.3 Stabilité des électrodes réalisées par immobilisation de l’enzyme et du médiateur dans une matrice de polypyrrole.

La stabilité des électrodes préparées par immobilisation de l’enzyme et du médiateur dans une

matrice de polypyrrole a été évaluée par Merle et col. [54] par spectrophotométrie. Les résultats

obtenus montrent qu’après une semaine de stockage à 4 °C, l’électrode ne conserve que 50% de

son activité initiale. Ainsi cette technique ne permet pas de conserver l’enzyme de manière stable

à la surface de l’électrode. Cette perte d’activité peut vraisemblablement être attribuée à une

dénaturation de l’enzyme causée par une déformation de la conformation de la protéine. Il est

également possible d’invoquer une désactivation irréversible des sites actifs de la BOD dans

leurs états oxydés lorsque l’électrode n’est plus sous potentiel [184]. Nous avons donc réalisé par

la suite des électrodes enzymatiques par greffage covalent de l’enzyme à la surface de l’électrode

dans le but d’améliorer sa stabilité. Dans le cas de la laccase, cette méthode de préparation

d’électrode conduit à la production d’une biocathode gardant plus de 70% de son activité initiale

sur une période de l’ordre de 50 jours [62]. La méthode expérimentale utilisée ici sera la même

que celle décrite au chapitre IV dans le cadre de la réalisation d’électrode GOD/HQS pour

laquelle la GOD a été greffée à la surface de l’électrode.

140

V.1.3. Immobilisation de la BOD par greffage covalent

V.1.3.1. Effet de la longueur de l’espaceur.

Evaluons d’abord l’effet de la longueur de l’espaceur sur les performances électrochimiques des

électrodes BOD/ABTS préparées par greffage covalent de l’enzyme à la surface du conducteur

électronique. Les résultats obtenus par voltammétrie linéaire sont présentés sur la figure 56.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4-100

-80

-60

-40

-20

0

j / µ

A.c

m-2

E / V vs. ECS

(1)

(2)

Figure 56 : Courbes de voltammétrie linéaire obtenues à 37 °C avec des électrodes BOD/ABTS

présentant des espaceurs de différentes longueurs. (1) : l’espaceur présente une chaîne carbonée

courte ; (2) : l’espaceur présente une chaîne carbonée longue. Le milieu électrolytique est une

solution de tampon phosphate de concentration 0,2 M et de pH = 7,4 préalablement saturé en O2.

L’activité de la BOD en solution est de 2,6 U.mg-1. La vitesse de variation du potentiel est de

5 mV.s-1

Au vu de la figure 56, il semble que les performances électrochimiques sont bien meilleures

lorsque le greffage de l’enzyme à la surface du support carboné est réalisé par l’intermédiaire

d’une chaîne carbonée plus longue. En effet, l’électrode ayant un espaceur à chaîne carbonée

longue présente à 0,1 V vs. ECS une densité de courant de -75 µA.cm-2 contre -45 µA.cm-2 pour

141

la bioélectrode construite en utilisant un espaceur « court ». Avec un espaceur à longue chaîne

carbonée, l’enzyme est plus éloignée de la surface de l’électrode. De plus, la flexibilité de

l’espaceur permet une mobilité plus importante de la molécule enzymatique à la surface de

l’électrode. Tout cela implique une meilleure accessibilité des centres actifs de l’enzyme pour le

médiateur et le dioxygène. L’utilisation d’un espaceur long permet donc d’augmenter la

« diffusion des électrons » dans le film favorisant ainsi la cinétique de la réaction.

V.1.3.2. Stabilité des électrodes BOD/ABTS préparées par greffage covalent de l’enzyme

La stabilité des électrodes réalisées par greffage covalent de la BOD a été, comme dans le cas

des électrodes réalisées par adsorption de l’enzyme et du médiateur, étudiée par Merle et col.[54]

à l’aide d’une technique spectrophotométrique. Les tests réalisés montrent que l’activité initiale

est conservée à plus de 90% après 30 jours de stockage. La stabilité obtenue avec cette méthode

d’immobilisation est remarquable comparée à celle obtenue lorsque l’enzyme et le médiateur

sont immobilisés par adsorption à la surface du support carboné. Ce résultat peut être expliqué

par une non-déformation de la conformation 3D de la protéine lorsque celle-ci est immobilisée à

la surface du support via un espaceur. Cela engendre en effet une non-dénaturation de la

protéine. De tels effets ont déjà été constatés par Yodoya et col. [185]. Cependant, les

performances électrochimiques de l’électrode restent faibles.

V.1.4. Immobilisation du système BOD/ABTS dans une matrice de Nafion®

V.1.4.1. La méthode d’immobilisation employée.

Dans cette partie, nous allons étudier les performances électrochimiques d’électrodes réalisées

par immobilisation de la BOD et de l’ABTS dans une matrice de Nafion®. Cette technique

d’immobilisation a été envisagée afin de suppléer l’utilisation du polypyrrole dans les

biocathodes. En effet, avec ce polymère, pour avoir une bonne rétention de la molécule de

médiateur, et ainsi éviter les problèmes bien connus et relatifs au phénomène de «

leaching » [186], il est nécessaire d’ut

microns). Il est en effet possible avec le Nafion

film tout en gardant une faible épaisseur. Cela permet alors de réduire les problèmes liés à la

diffusion des produits et substrats dans la matrice

La technique d’immobilisation utilisée ici se décompose en deux étapes

- Adsorption du système BOD (1 mg

en milieu tampon phosphate pH

- Immobilisation de l’ensemble BOD/ABTS/Vulcan XC 72

dans une matrice de Nafion

solution phosphate (pH

Ces deux étapes sont décrites sur la figure 5

Figure 57 : Processus d’obtention de biocathodes par immobilisation de la BOD et du médiateur

rédox (ABTS) dans une matrice de Nafion

Une fois les biocathodes réalisées, leurs performances électrochimiques ont été étudiées en

utilisant une électrode à disque tourn

142

médiateur, et ainsi éviter les problèmes bien connus et relatifs au phénomène de «

, il est nécessaire d’utiliser des épaisseurs de film importantes (un à plusieurs

microns). Il est en effet possible avec le Nafion®, d’obtenir un important pouvoir de rétention du

une faible épaisseur. Cela permet alors de réduire les problèmes liés à la

diffusion des produits et substrats dans la matrice de polymère.

La technique d’immobilisation utilisée ici se décompose en deux étapes :

Adsorption du système BOD (1 mg) /ABTS (1 mM) sur Vulcan XC 72

en milieu tampon phosphate pH = 7,4 (800 µL)

’ensemble BOD/ABTS/Vulcan XC 72R sur l’électrode par piégeage

dans une matrice de Nafion®. La solution de Nafion® à 5% est tamponnée avec une

sphate (pH = 7,4). La solution finale contient 12 vol. % de Nafion

Ces deux étapes sont décrites sur la figure 57.

Processus d’obtention de biocathodes par immobilisation de la BOD et du médiateur

rédox (ABTS) dans une matrice de Nafion®.


utilisant une électrode à disque tournant (EDT).

médiateur, et ainsi éviter les problèmes bien connus et relatifs au phénomène de « mediator

iliser des épaisseurs de film importantes (un à plusieurs

, d’obtenir un important pouvoir de rétention du

une faible épaisseur. Cela permet alors de réduire les problèmes liés à la

mM) sur Vulcan XC 72R (3 mg) réalisée

R sur l’électrode par piégeage

à 5% est tamponnée avec une

% de Nafion® à 5%.

Processus d’obtention de biocathodes par immobilisation de la BOD et du médiateur


143

V.1.4.2 Caractérisation électrochimique des bioélectrodes

V.1.4.2.1. Intérêt de l’EDT.

Les études sur ce type d’électrode sont très importantes puisqu’elles permettent de contrôler la

diffusion des espèces électroréactives vers la surface de l’électrode. Les flux de matière au

voisinage de l’électrode peuvent être schématisés comme l’indique la figure 58 A.

Figure 58 : A) Description schématique des flux de matière au voisinage de l’électrode B)

Profils de concentration théorique (- -) et réel (-) au voisinage de l’électrode à disque tournant.

La rotation de l’électrode permet d’alimenter celle-ci en continu en espèces électroréactives.

L’arrivée des espèces à l’électrode se fait selon la direction normale à la surface et l’évacuation

de la matière se fait sous la forme d’un flux centrifuge. L’utilisation de cette technique impose de

travailler à des vitesses de rotation relativement faibles de façon à travailler en régime laminaire

et non en régime turbulent, dont le traitement mathématique est beaucoup plus complexe (tout en

évitant le phénomène de convection). Sur la figure 58 B), le point d’intersection entre le profil

théorique au sein de la solution (valeur de concentration obtenue lorsque la distance à l’électrode

est supérieure à δ) et le profil théorique au voisinage de la surface définit le paramètre δ

(épaisseur de la couche de diffusion). Loin de la surface, le phénomène de convection domine et

il n’y a pas de fluctuation de concentration en espèces électroréactives. Au plus près de la

surface, la diffusion domine au sein d’une couche de diffusion d’épaisseur δ, variable avec la

vitesse de rotation de l’électrode. Ainsi, cette méthode électrochimique permet de caractériser les

paramètres cinétiques affectant la réaction de réduction de l’oxygène moléculaire.

Z = 0

Z

Electrode (Carbone vitreux)

A

C0

δ

Concentration

Distance à l’électrode

B

144

V.1.4.2.2. Etude des performances électrochimiques des biocathodes BOD/ABTS

Nous allons dans cette partie étudier la cinétique de la réaction de réduction du dioxygène

catalysée par le système BOD/ABTS en utilisant une électrode à disque tournant. En premier lieu

les performances électrochimiques de ce type de catalyseur sont comparées avec celles pouvant

être obtenues lors de la réduction du dioxygène sur des nanoparticules de platine qui est le

catalyseur de référence utilisé pour ce type de réaction. Les nanoparticules de platine utilisées ici

ont été préparées par la méthode « water-in-oil microemulsion » et le taux de charge du

catalyseur est de 40%. Le support carboné utilisé est le Vulcan XC 72R. La comparaison entre

les deux catalyseurs sera réalisée à partir des courbes présentées sur la figure 59.

-0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

-80

-60

-40

-20

0

Pt/C 40%

BOD/ABTS/Nafion®

I / µ

A

E / V vs. ECS

Figure 59 : Courbes de réduction du dioxygène dissous catalysée par le système

BOD/ABTS/Nafion® en milieu tampon phosphate de pH = 7,4 et de concentration 0,2 M. Ces

courbes sont réalisées à température ambiante, à une vitesse de rotation de 100 rpm, après

saturation du milieu électrolytique en dioxygène. La vitesse de variation du potentiel est de

3 mV.s-1.

145

A partir des deux courbes présentées sur la figure 59, nous pouvons noter rapidement que

l’utilisation du catalyseur BOD/ABTS/Nafion® conduit à une très faible surtension pour la

réaction de réduction du dioxygène en comparaison à ce que l’on peut observer avec des

nanoparticules de platine. En effet la réaction de réduction commence à un potentiel 50 mV

inférieur au potentiel redox du couple O2/H2O. De plus, le potentiel de demi-vague est bien plus

élevé lorsque le système BOD/ABTS/Nafion® est utilisé puisqu’il atteint 463 mV vs. ECS contre

seulement 200 mV vs. ECS pour le catalyseur à base de nanoparticules de platine. La valeur du

potentiel de demi-vague obtenue avec le système BOD/ABTS/Nafion® est en accord avec celle

obtenue par Tsujimura et col.[111] lors de l’étude du système BOD/ABTS2-.

Dans un second temps, intéressons nous à la caractérisation cinétique de la réaction de réduction

du dioxygène catalysée par le système BOD/ABTS/Nafion®. Les performances voltammétriques

de l’électrode à différentes vitesses de rotation et en présence de différentes concentrations en

dioxygène dissous sont présentées sur la figure 60.

0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

-1,6

-1,2

-0,8

-0,4

0,0

j / m

A.c

m-2

E / V vs. ECS

Figure 60 : Courbes de réduction du dioxygène dissout catalysée par le système

BOD/ABTS/Nafion® en milieu tampon phosphate de pH = 7,4 et de concentration 0,2 M. Ces

courbes sont réalisées, à température ambiante, à différentes vitesses de rotation. Ces courbes

sont enregistrées dans un électrolyte saturé avec de l’air à Ω=100 rpm ( ); Ω=200 rpm () ;

146

Ω=400 rpm (∆); Ω=600 rpm () et dans un électrolyte saturé avec du dioxygène Ω=600 rpm().

La vitesse de variation du potentiel est de 3 mV.s-1.

Pour exploiter pleinement les courbes voltammétriques précédentes, nous utiliserons l’équation

de Koutecky-Levich [145, 187, 188] permettant d’exprimer la densité de courant totale j selon

l’équation 31.

ads film diff( nF/ RT)

l l l0

c

1 1 1 1 1

j j j jj e α ηθθ

= + + + (Eq. 31)

L’utilisation de cette équation suppose une étape de transfert électronique limitante au cours du

processus de réduction de la molécule de dioxygène. Ainsi nous supposerons une étape de

transfert électronique limitante à l’intérieur de la molécule enzymatique. La seconde hypothèse

fait état d’une réaction du premier ordre par rapport à l’oxygène. La seconde hypothèse est

vérifiée en enregistrant le courant obtenue à 0,2 V vs. ECS en présence de différentes

concentrations d’oxygène dissous. Les résultats obtenus sont présentés sur la figure 61.

0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

70

I / µ

A

Saturation en O2 / %

Figure 61: Activité électrochimique du système BOD/ABTS/Nafion® : dépendence du courant à

0,2 V vs. ECS avec la concentration en oxygène dissous.

147

Ainsi, pour des atmosphères saturantes contenant moins de 30% de dioxygène, le courant à

0,2 V vs. ECS est linéairement dépendant de la concentration en dioxygène dissous dans le

milieu électrolytique. Donc, dans le cas d’expériences réalisées sous air (contenant 21% de

dioxygène), le courant total obtenu à différentes vitesses de rotation de l’électrode à disque

tournant peut être traité à l’aide de l’équation 31.

Dans l’équation 31, difflj est la densité de courant limite de diffusion. Lorsqu’on se place à l’état

stationnaire, en négligeant le transport de matière par migration et en considérant le flux de

matière d’une espèce électroréactive, il est possible dans le cas où l’espèce qui arrive sur

l’électrode est consommée, d’exprimer difflj selon l’expression donnée par l’équation 32.

diff 2 /3 1/6l oj 0,2nFD Cυ−= Ω

(Eq. 32)

Avec n le nombre d’électrons échangés au cours de la réaction, oC la concentration en dioxygène

dissous dans la solution, υ le coefficient de viscosité cinématique de la solution, D le coefficient

de diffusion du dioxygène en solution, F la constante de Faraday et Ω la vitesse de rotation de

l’électrode à disque tournant (rpm). Dans l’équation 31, adslj et film

lj représentent des densités de

courant limites dues respectivement à l’adsorption de la molécule de dioxygène au niveau du site

actif de l’enzyme et à la diffusion de l’oxygène moléculaire dans le film de Nafion®. Puisque ces

deux densités de courant sont indépendantes de la vitesse de rotation de l’électrode et du

potentiel (E) imposé à cette dernière, il est impossible de les dissocier. Nous exprimerons donc

simplement la valeur jL définie par l’expression donnée par l’équation 32.

ads filmL l l

1 1 1

j j j= + (Eq. 33)

Dans l’équation 31, η représente la surtension à l’électrode qui s’exprime par eqE Eη = − ; j0

représente la densité de courant d’échange, et le couple θ, θc représente le degré de recouvrement

des sites actifs de l’enzyme par les espèces oxygénées aux potentiels E et Eeq. Nous ferons

l’approximation que les valeurs de θ et θc sont égales, ce qui signifie que pour toute valeur de E,

le taux de recouvrement en espèces oxygénées est peu différent du taux de recouvrement en

espèce oxygénées à l’équilibre.

148

En s’appuyant sur les équations 31 et 32, nous pouvons affirmer que les courbes 1 1

f ( )j

=Ω

sont des droites dont l’ordonnée à l’origine (où Ω → ∞ ) à pour valeur

( nF/ RT) L k0

c

1 1 1

j jj e α ηθθ

+ = . Dans le cas de l’électrode BOD/ABTS ces droites sont représentées

pour une valeur de potentiel de 0,3 V vs. ECS sur la figure 62.

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10-3,4

-3,2

-3,0

-2,8

-2,6

-2,4

-2,2

-2,0

-1,8

1/j /

mA

-1.c

m2

Ω-1/2 / rpm-1/2

Figure 62 : Droite de Koutecky-Levich (à E = 0,3 V vs. ECS) relative à la réduction du

dioxygène catalysée par le système BOD/ABTS immobilisé dans une matrice de Nafion® en

milieu tampon phosphate de pH = 7,4 et de concentration 0,2 M.

En reportant les valeurs de k

1

jen fonction du potentiel E à l’électrode nous obtenons la courbe

présenté sur la figure 63.

149

0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1/|j k| /

mA

-1 c

m-2

E / V vs. ECS

Figure 63: Courbe représentant k

1

jen fonction du potentiel appliqué à l’électrode lors de la

réduction du dioxygène catalysée par le système BOD/ABTS en milieu tampon phosphate de

pH = 7,4 et de concentration 0,2 M

Aux surtensions élevées, nous pouvons écrire que ( nF/ RT)

K L L0

1 1 1 1lim lim

j j jj e α ηη η→+∞ →+∞= + = . Donc

la courbe de la figure 63 permet de déterminer la valeur de jL. Cette valeur est très faible

(1,4 mA.cm-2) comparée à celles communément obtenues dans la littérature qui sont entre 5 et

100 fois plus élevées.

La surtension, η, peut aussi s’écrire à l’aide de l’équation 34.

L Keq

0 L K

j jE E b[ln ln ]

j j jη = − = − +

− (Eq. 34)

Avec RT

bnFα

= la pente de Tafel.

150

D’après l’équation 33, le tracé de la droite K

L K

jf (ln )

j jη =

−permet de déterminer les valeurs de j0

et de b. La droite obtenue est présentée sur la figure 64.

-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6-0,20

-0,18

-0,16

-0,14

-0,12

-0,10

η

ln(jK/(j

L-j

K))

η=-0,03 ln(jK/(j

L-j

K))-0,12

Figure 64: Droite représentant η en fonction de ln(jK/(jL-jK)) pour la réduction du dioxygène

catalysée par le système BOD/ABTS en milieu tampon phosphate de pH = 7,4 à la concentration

de 0,2 M.

La pente de Tafel est donc de 69 mV/décade et la valeur de la densité de courant d’échange, |j0|,

est de 25 µA.cm-2. La valeur élevée de |j0| confirme que l’activation de la réaction de réduction

du dioxygène est facile avec ce type de catalyseur en milieu physiologique et confirme que la

réaction de réduction du dioxygène commence à des valeurs de potentiels élevées. De plus la

comparaison entre les valeurs de j0 et jL montre que jL est 60 fois plus élevée que la valeur de j0.

Ceci suggère qu’une étape de transfert électronique intra-enzymatique est limitante lors du

processus de réduction d’une molécule de dioxygène adsorbée. A titre de comparaison la valeur

de |j0|, obtenue dans les mêmes conditions, lorsque des nanoparticules de platine sont utilisées en

tant que catalyseur est bien plus faible et égale à 5 µA.cm-2.

151

V.2. Réalisation de biopiles glucose/O2.

Dans la dernière partie de ce chapitre, nous examinerons les performances obtenues par notre

biopile glucose/dioxygène. Tout d’abord, nous réaliserons des tests en pile avec les catalyseurs

enzymatiques (GOD, BOD) dont les performances électrochimiques ont été caractérisées aux

chapitres IV et V. Les applications visées par ce type de pile sont, bien entendu, les applications

médicales implantables. Pour ces applications, il est nécessaire d’utiliser des catalyseurs

spécifiques pouvant évoluer dans des milieux de type physiologique. Ainsi le choix des enzymes

paraît difficilement contournable. Dans un second temps, nous étudierons les performances

d’une « biopile hybride » utilisant comme catalyseur anodique des nanoparticules Au-Pt et

comme biocathode le système BOD/ABTS. Nous avons choisi d’utiliser ces catalyseurs car ce

sont pour chacune des réactions envisagées, les meilleurs catalyseurs développés à ce jour. Le

milieu d’étude choisi est un milieu tampon phosphate de pH = 7,4 car c’est le pH le plus basique

auquel la BOD reste très active. Ce type de source d’énergie est développé pour des applications

portables. L’ensemble des tests en pile sera réalisé dans un système concentrique innovant que

nous détaillons sur la figure 65.

Figure 65 : Représentation du système concentrique utilisé pour la réalisation des tests en pile.

glucose

gluconolactone

H 2O

+-

Solution saturée en O2

Solution de glucose désaérée

Catalyseur anodique

O2

H2O

BOD

électrons

152

Ce système innovant, sans membrane, est composé de deux tubes de carbone (graphite)

concentriques. Le catalyseur cathodique peut être déposé sur la surface externe (dans le cas des

systèmes purement enzymatiques) ou bien à l’intérieur du tube interne (dans le cas des systèmes

hybrides). Le tube interne, poreux (le diamètre des pores est de 3 µm), possède un diamètre

intérieur de 6 mm et un diamètre extérieur de 1 cm. Le diamètre interne du tube externe est,

quant à lui, de 1,4 cm. Entre les deux tubes, se trouve une solution de glucose préalablement

désaérée. A l’intérieur du tube interne, circule une solution de tampon phosphate de pH = 7,4

préalablement saturée en dioxygène.

V.2.1 Etude des biopiles glucose/O2 utilisant uniquement des enzymes comme catalyseurs.

Dans cette partie nous allons réaliser des tests en pile en utilisant les différents catalyseurs

étudiés précédemment. Différentes configurations de biopile glucose/O2 seront testées.

V.2.1.1. Tests en pile réalisés avec des électrodes élaborées par adsorption des enzymes et des médiateurs à la surface des tubes carbonés puis immobilisation du système enzyme/médiateur dans une matrice de polypyrrole.

Tout d’abord, au vu des courbes de polarisation montrées aux chapitre IV et V, il semble évident

que la performance initiale du système en terme de densité de puissance, sera limitée par

l’électrooxydation de la molécule de glucose. Cela peut être dû aux différents facteurs suivants :

- transport de matière limité au sein de l’épaisseur du film de polypyrrole

- faiblesse de l’activité enzymatique

- perte d’enzyme et de médiateur au cours du temps

Les performances obtenues avec des électrodes GOD/HQS (film de 4 C non traité au

glutaraldéhyde) et BOD/ABTS (film de 4 C) sont données par la figure 66.

00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

E /

V

Figure 66 : Performances obtenues à 37 °C avec une biocathode (BOD/ABTS) et une bioanode

(GOD/HQS) réalisées par adsorption des enzymes à la

immobilisation dans une matrice électrogénérée de polypyrrole dont la coulométrie est de 4 C.

Le milieu d’étude est une solution de tampon phosphate de pH

Entre les deux tubes se trouve une

l’intérieur du tube interne circule une solution saturée en dioxygène. Performances initiales (

), performances obtenues après 3 h de fonctionnement à 0,3 V (

obtenues après 3 h de fonctionnement à 0,3 V et après deux jours de stockage des électrodes à 4

°C ( ).

La densité de puissance maximale de la pile ainsi réalisée est de 33 µW.cm

cellule de 0,32 V. Cette performance électrique se trouve dans la gamme

communément rencontrées dans la littérature pour ce type de pile si l’on excepte la valeur de

430 µW.cm-2 obtenue à 0,52 V par le groupe Heller

d’exemples citer les travaux de Barrière et col.

40 µW.cm-2 pour une tension de cellule de 0,4 V ou bien encore les travaux de Sato et col.

qui ont rapporté une densité de puissance de 14,5 µW.cm

153

50 100 150 200

j / µA.cm-2

0

5

10

15

20

25

30

35

Performances obtenues à 37 °C avec une biocathode (BOD/ABTS) et une bioanode

(GOD/HQS) réalisées par adsorption des enzymes à la surface des tubes carbonés puis


Le milieu d’étude est une solution de tampon phosphate de pH = 7,4 et de concentration 0,2 M.

Entre les deux tubes se trouve une solution désaérée de glucose à la concentration de 10 mM. A


), performances obtenues après 3 h de fonctionnement à 0,3 V (

de fonctionnement à 0,3 V et après deux jours de stockage des électrodes à 4

La densité de puissance maximale de la pile ainsi réalisée est de 33 µW.cm

cellule de 0,32 V. Cette performance électrique se trouve dans la gamme


obtenue à 0,52 V par le groupe Heller [8]. En effet, nous pouvons à titre

d’exemples citer les travaux de Barrière et col. [89] qui ont obtenu une densité de puissance de

pour une tension de cellule de 0,4 V ou bien encore les travaux de Sato et col.

qui ont rapporté une densité de puissance de 14,5 µW.cm-2 pour une tension de

10

15

20

25

30

35

P / µ

W.cm

-2

Performances obtenues à 37 °C avec une biocathode (BOD/ABTS) et une bioanode

surface des tubes carbonés puis


7,4 et de concentration 0,2 M.

solution désaérée de glucose à la concentration de 10 mM. A


) ; performances

de fonctionnement à 0,3 V et après deux jours de stockage des électrodes à 4

La densité de puissance maximale de la pile ainsi réalisée est de 33 µW.cm-2 pour une tension de

cellule de 0,32 V. Cette performance électrique se trouve dans la gamme de puissances


. En effet, nous pouvons à titre

qui ont obtenu une densité de puissance de

pour une tension de cellule de 0,4 V ou bien encore les travaux de Sato et col. [71]

pour une tension de cellule de 0,36 V.

154

Au vu des courbes présentées sur la figure 66, il est important de noter qu’après trois heures de

fonctionnement, le système se maintient à 94% de sa densité de puissance initiale, ce qui lui

confère une relative stabilité. Cependant après deux jours de stockage supplémentaires des

électrodes à 4 °C, le système ne retient que 72% de son activité initiale. Cette perte d’activité

associée au stockage des électrodes peut être expliquée par la désactivation des centres actifs

Cu2+/Cu+ de la BOD [184]. En conclusion, la densité de puissance maximale de la pile est limitée

par le compartiment anodique de celle-ci au vue des courbes de polarisation précédemment

réalisée (cf. figure 54 et figure 42). Par contre, la stabilité du système semble limitée par le

compartiment cathodique et en particulier par la stabilité de l’enzyme utilisée.

Afin d’améliorer les densités de puissance initialement obtenues, nous avons substitué la

bioanode précédente par une électrode de même nature, mais cette fois-ci traitée 30 min dans une

solution de glutaraldéhyde (cf. chapitre IV). La biocathode précédente est quant à elle remplacée

par une électrode présentant un film de polypyrrole de coulométrie 2 C présentant de meilleures

performances électrochimiques que l’électrode dont le film est électrogénéré à 4 C (cf. chapitre

V). L’ensemble des deux électrodes constitue ce que nous appellerons le « système adsorbé». La

densité de puissance initiale obtenue avec ce nouveau dispositif est présentée sur la figure 67.

0 50 100 150 200 250 3000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

j / µA.cm-2

E /

V

0

10

20

30

40

P / µ

W.cm

-2

Figure 67: Performances obtenues à 37 °C avec le système adsorbé. Le milieu d’étude est une

solution de tampon phosphate de pH = 7,4 et de concentration 0,2 M. Entre les deux tubes se

trouve une solution désaérée de glucose à la concentration de 10 mM. A l’intérieur du tube

155

interne circule une solution saturée en dioxygène. Performances initiales du « système adsorbé »

() ; performances du « système adsorbé » après 7 jours de stockage des électrodes à 4 °C (∆) ;

performances du « système adsorbé » après 17 jours de stockage des électrodes à 4 °C ().

La densité maximale de puissance obtenue avec ce système est de 42 µW.cm-2 pour une tension

de cellule de 0,32 V. L’augmentation de performance de 33 à 42 µW.cm-2 démontre

l’amélioration des performances anodiques dues au traitement réalisé avec le glutaraldéhyde

ainsi que à la bonne performance de la cathode utilisée. Le problème majeur rencontré par le

système est son manque de stabilité. Pour palier ce problème, nous avons réalisé des

bioélectrodes par greffage covalent des enzymes à la surface des tubes de carbone. Les

performances obtenues avec ces électrodes ont déjà été détaillées au cours des chapitres IV et V

et ne seront donc pas explicitées de nouveau ici.

V.2.1.1. Tests en pile réalisés avec des électrodes préparées par greffage covalent des enzymes à la surface des tubes carbonés.

La figure 68 présente les performances obtenues de manière intermittente sur une période de 45

jours en utilisant comme cathode une électrode BOD/ABTS pour laquelle l’enzyme a été greffée

via une longue chaîne alkyle (cf. chapitre IV) et le médiateur (ABTS) immobilisé dans un film

de PEGDGE. A l’anode, l’enzyme (GOD) a été greffée à la surface du tube carboné via une

courte chaîne alkyle (cf. chapitre IV). Le médiateur rédox (HQS) a été immobilisé dans une

matrice de PEGDGE comme dans le cas de la biocathode. L’ensemble des deux électrodes

constitue ce que nous appellerons le « système greffé ». Entre deux utilisations, les électrodes ont

été stockées à 4 °C dans une solution de tampon phosphate de pH = 7,0.

156

0 25 50 75 100 1250,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

j / µA.cm-2

E /

V

0

4

8

12

16

20

P / µ

W.cm

-2

Figure 68 : Performances obtenues à 37 °C avec le « système greffé ». Le milieu d’étude est une

solution de tampon phosphate de pH = 7,4 et de concentration 0,2 M. Entre les deux tubes se

trouve une solution désaérée de glucose à la concentration de 10 mM. A l’intérieur du tube

interne circule une solution saturée en dioxygène. Performances initiales (*) ; après 6 jours () ;

après 16 jours () ; après 34 jours (∆) ; après 45 jours () de stockage des électrodes à 4 °C dans

une solution tampon phosphate de pH = 7,0.

La densité de puissance initiale est de 20 µW.cm-2 pour une tension de cellule de 0,3 V. Le fait

remarquable est que cette performance reste stable sur toute la période d’essais (45 jours). Nous

avons dans un second temps représenté, sur la figure 69, les performances obtenues avec le

« système adsorbé » après différents temps de stockage des électrodes à 4 °C et les performances

obtenues avec le « système greffé ».

157

0 50 100 150 200 250 3000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

j / µA.cm-2

E /

V

0

10

20

30

40

P / µ

W.cm

-2

Figure 69 : Comparaison des performances obtenues à 37 °C, en termes de stabilité, entre le

« système greffé » et le « système adsorbé ». Le milieu d’étude est une solution de tampon

phosphate de pH = 7,4 et de concentration 0,2 M. Entre les deux tubes se trouve une solution

désaérée de glucose à la concentration de 10 mM. A l’intérieur du tube interne circule une

solution saturée en dioxygène. Performances initiales () du « système adsorbé » ; après 7 jours

de stockage des électrodes à 4 °C (∆) ; après 17 jours de stockage des électrodes à 4 °C () ;

performances du « système greffée » ().

A l’aide de la figure 69, nous pouvons comparer la stabilité des deux systèmes. La stabilité du

«système greffé » est remarquable en regard de ce qui peut être obtenu avec le système adsorbé.

En effet ce dernier ne conserve que 78% et 23% de son activité initiale après 7 jours et 17 jours

de stockage des électrodes à 4 °C. Cette perte d’activité a été attribuée à une modification de la

conformation 3D de la protéine se trouvant en contact direct avec un support hydrophobe

(carbone) [54]. Une autre explication pourrait être apportée en considérant le faible pouvoir de

rétention du film de polypyrrole.

158

V.2.2 Etude des biopiles glucose/O2 utilisant des nanoparticules Au-Pt et le système BOD/ABTS comme catalyseurs.

Le système utilisé ici a déjà été décrit précédemment (cf. figure 64). A la cathode nous

utiliserons ici le système BOD/ABTS adsorbé sur un support carboné, le Vulcan XC 72R®, puis

immobilisé dans une matrice de Nafion®. Ce système a fait l’objet d’une étude cinétique

complète dans le chapitre V. Nous allons dans un premier temps étudier et commenter les

performances obtenues avec des catalyseurs nanodivisés Au-Pt présentant différentes

compositions nominales. Les résultats sont présentés sur la figure 70.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

j / µA.cm-2

E /

V

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

P / µ

W.cm

-2

Figure 70 : Tests en pile réalisés à 37 °C avec des catalyseurs anodiques de composition

nominale Au (), Au80Pt20 (), Au70Pt30 () et Pt (∆). La biocathode est constituée par le

système BOD/ABTS/Vulcan XC 72R immobilisé dans une matrice de Nafion®. Le milieu

d’étude est une solution de tampon phosphate de pH = 7,4 et de concentration 0,2 M. Entre les

deux tubes se trouve une solution désaérée de glucose à la concentration de 10 mM. A l’intérieur

du tube interne circule une solution saturée en dioxygène.

La figure 70 montre très clairement que les meilleures performances sont obtenues avec le

catalyseur de composition nominale Au70Pt30. En effet, avec ce catalyseur, la densité de

puissance obtenue est de 90 µW.cm-2 pour une tension de cellule de 0,4 V. Pour Au80Pt20 la

159

tension à circuit ouvert est plus faible (de l’ordre de 0,64 V). Cela est clairement explicable par

le fait que le catalyseur de composition nominale Au80Pt20 ne présente que 29 at. % de platine à

sa surface contre 43 at. % pour le catalyseur de composition nominale Au70Pt30 (cf. chapitre III).

Dans le cas du platine, la faible force électromotrice obtenue résulte de la très forte compétition

entre les espèces phosphatées présents à la concentration de 0,2 M et le glucose pour l’adsorption

à la surface du catalyseur. Au vu des deux valeurs de concentration, il est aisé de comprendre

que l’effet de compétition est très défavorable à l’adsorption du glucose sur les sites catalytiques

du platine. Cette compétition existe aussi dans le cas des autres catalyseurs Au-Pt, mais nous

supposons que l’adsorption des espèces phosphatées est moins aisée lorsque l’or est présent à la

surface du catalyseur. Ce dernier, par des effets géométriques, énergétiques ou bien encore

électroniques, entraîne en effet un probable affaiblissement de la liaison oxygène-métal créée

entre les espèces phosphatées et la surface du platine.

Dans un second temps nous avons étudié l’effet d’une augmentation de la concentration en

glucose sur les performances de la pile. Cette étude est réalisée en utilisant une anode de

composition nominale Au70Pt30 et le système BOD/ABTS/Vulcan XC 72R® immobilisé dans une

matrice de Nafion® qui sert de cathode. Les résultats obtenus sont présentés sur la figure 71.

0 100 200 300 400 500 600 7000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

j / µA.cm-2

E /

V

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

P / µ

W.cm

-2

[glucose]

Figure 71 : Tests en pile réalisées à 37 °C avec une anode de composition nominale Au70Pt30. La

cathode est composée par le système BOD/ABTS/Vulcan XC 72R immobilisé dans une matrice

160

de Nafion®. Le milieu d’étude est une solution de tampon phosphate de pH = 7,4 et de

concentration 0,2 M. Entre les deux tubes se trouve une solution désaérée de glucose à la

concentration de 10 mM (∆) ; 0,1 M () ; 0,3 M () ; 0,7 M (). A l’intérieur du tube interne

circule une solution saturée en dioxygène.

La figure 71 met en évidence une augmentation de la force électromotrice de la pile lorsque la

concentration en glucose augmente. La forte augmentation visible entre 0,1 M et 0,3 M peut être

attribuée à une plus lente adsorption des espèces phosphatées due à la présence d’une plus

grande concentration de glucose [180]. De plus, la densité de puissance maximale augmente avec

la concentration en glucose pour atteindre une valeur de 190 µW.cm-2 en présence de glucose

0,7 M. La faible augmentation de la densité de puissance visible en passant d’une concentration

de 0,3 à 0,7 M peut être le résultat :

- d’une saturation du catalyseur anodique

- d’une limitation due aux performances de la cathode

V.3. Conclusion du chapitre V

Dans ce chapitre, nous avons étudié trois différentes méthodes d’immobilisation du système

BOD/ABTS. Ces méthodes consistent à:

- adsorber enzymes et médiateurs à la surface du tube carboné puis générer

électrochimiquement un film de polypyrrole de coulométrie variable.

- greffer de manière covalente (via une chaîne alkyle) l’enzyme et immobiliser le

médiateur rédox dans un film réticulé de PEGDGE.

- adsorber le système BOD/ABTS sur un support carboné (Vulcan XC 72R®) puis

immobiliser le tout dans une matrice de Nafion®.

Pour chaque méthode d’immobilisation, nous avons réalisé des caractérisations électrochimiques

des électrodes préparées. Pour la première méthode, il semble que la coulométrie du film de

161

polypyrrole ait un effet prépondérant sur les performances de l’électrode. En effet une électrode

préparée avec un film d’épaisseur correspondant à 2 C semble donner la meilleure « signature »

électrochimique. Dans le cadre de l’étude du « système greffé », une électrode préparée par

greffage de l’enzyme à la surface du tube en graphite via une longue chaîne alkyle semble, là

encore, donner de très bons résultats. Lors de l’étude en pile, nous avons néanmoins remarqué

que l’utilisation du « système adsorbé » permettait d’obtenir de très bonnes densités de puissance

(i.e. 42 µW.cm-2) comparées à ce qui peut être obtenu par utilisation du « système greffé » (i.e.

20 µW.cm-2). Cependant l’étude de la stabilité (lors de fonctionnements intermittents) des piles

correspondantes montre très bien que l’utilisation du « système adsorbé » mène à une grande

instabilité des performances de la pile. L’utilisation du « système greffé » permet néanmoins de

palier ce problème puisque les performances de la pile correspondante sont stables sur une

période de 45 jours. Nous avons par ailleurs entrepris d’étudier une troisième méthode

d’immobilisation du système BOD/ABTS en adsorbant au préalable ce dernier à la surface d’un

support carboné, le Vulcan XC 72R, puis en immobilisant le tout dans une matrice de Nafion®.

Cette méthode n’est clairement pas optimisée et fait l’objet d’un développement au laboratoire.

De nombreux paramètres (quantité de Vulcan XC 72R, quantité d’ABTS, quantité de BOD,

quantité de Nafion®, influence croisée des paramètres précédents) restent à étudier. Cependant

les premiers résultats obtenus lors de caractérisations à l’aide d’une électrode à disque tournant

montrent que les performances développées par ces électrodes (surtension pour la réaction de

réduction du dioxygène, paramètres cinétiques) sont très supérieures à celles démontrées par une

électrode constituée de nanoparticules de platine, matériau de référence pour la réduction du

dioxygène. La combinaison de ces électrodes avec des nanoparticules de composition nominale

Au70Pt30 ont permis d’obtenir de très bonnes performances de pile (i.e. 90 µW.cm-2). Les

performances de ces piles peuvent en outre être très largement améliorées par simple

augmentation de la concentration du glucose et peuvent atteindre près de 200 µW.cm-2 pour une

concentration de 0,7 M.

162

CONCLUSION GÉNÉRALE

163

L’objet de cette étude était dans un premier temps de substituer le catalyseur anodique

classiquement utilisé dans les biopiles glucose/O2, à savoir une enzyme, la glucose oxydase, par

un catalyseur minéral constitué de nanoparticules à base d’or et de platine. Le choix de ces

matériaux fut réalisé en s’appuyant sur des études antérieures réalisées au laboratoire ; études

ayant démontrées l’aptitude de ces matériaux à oxyder la molécule de glucose. Le second

objectif était d’étudier les performances catalytiques de ces nanomatériaux vis-à-vis de

l’oxydation du glucose et éventuellement de comprendre leur efficacité potentielle en étudiant

leurs propriétés physico-chimiques. Le dernier objectif était de démontrer la faisabilité d’une

biopile glucose/O2 concentrique où l’oxydation du glucose aurait lieu sur les nanomatériaux Au-

Pt et où la réduction du dioxygène en eau serait catalysée par un enzyme, la bilirubine oxydase.

Afin de répondre au premier et second objectif visé, nous avons procédé à la synthèse contrôlée

de nanomatériaux à base d’or et de platine. La méthode de synthèse utilisée est la microémulsion

« water-in-oil ». L’étude de ces matériaux nanostructurés a permis de déterminer leur taille, les

défauts qu’ils contiennent, leur caractère éventuellement allié et enfin la structure et leur

composition de surface. Connaître les catalyseurs étudiés de façon si intime est nécessaire dans

le but de comprendre l’activation de la molécule de glucose à leur surface. En effet cette

réaction, comme toute réaction en électrocatalyse, est sensible aux variations d’énergie de

surface du catalyseur, au niveau d’énergie de la bande de valence des matériaux catalytiques

utilisés, aux éventuels effets de synergie se produisant entre les différents éléments composant le

catalyseur, et enfin aux éventuels défauts cristallins présents à la surface des catalyseurs étudiés,

susceptibles de constituer des sites d’adsorption préférentielle pour les molécules organiques.

Ainsi, les caractérisations physiques réalisées (DRX, MET, HRMET) nous ont permis d’évaluer

la taille, les défauts cristallins, la contrainte interne moyenne des nanoparticules Au-Pt

synthétisées par microémulsion. Parmi toutes les compositions étudiées les nanoparticules de

composition nominales Au70Pt30 et Au80Pt20 ont retenu notre attention. En effet ces particules

présentent une probabilité de défauts d’empilement et une contrainte moyenne élevée en regard

de ce qui est obtenu avec les autres nanomatériaux Au-Pt. Les analyses en microscopie

électronique en transmission à haute résolution effectuées nous ont permis de comprendre

l’origine des valeurs élevées de ces paramètres : ces nanoparticules présentent en effet de

nombreux joints de macles et de nombreuses fautes d’empilement. De plus, les clichés hautes

résolution montrent que ces particules présentent à leurs surfaces de nombreuses marches

164

atomiques et un grand nombre de facettes orientées selon les plans cristallographiques (111) et

(110). Ces effets structurels peuvent expliquer tout ou partie de l’activité électrochimique des

matériaux considérés vis-à-vis de l’oxydation du glucose. La surface de ces particules semble

présenter de nombreux sites où l’adsorption du glucose et son oxydation peuvent être favorable

d’un point de vue énergétique. L’analyse électrochimique de la surface des matériaux apporte un

second élément de réponse sur l’activité électrochimique des nanoparticules Au-Pt vis-à-vis de

l’électrooxydation du glucose. En effet à la surface de ces nanomatériaux, il y a présence

concomitante d’or et de platine ce qui n’est pas le cas lorsque les nanoparticules Au-Pt ont de

faibles teneurs en or dans leur composition nominale. Dans ce cas nous avons formation de

structure type cœur-coquille, la nanoparticule présentant un cœur d’or sous une coquille de

platine. La présence conjointe d’or et de platine en surface peut expliquer l’effet de synergie

visible lors de l’étude voltammétrique de l’oxydation du glucose sur les nanoparticules Au-Pt.

Certains indices (valeur du paramètre de maille, étude par « CO stripping ») montrent en outre

que ces particules présentent un caractère allié pouvant être à l’origine de la modification du

niveau d’énergie des orbitales atomiques du platine. Une confirmation de l’existence d’une

liaison entre l’or et le platine pourrait cependant être apportée en réalisant des expériences de

spectroscopie de photoélectrons de rayons X.

Ce travail de thèse est à situer dans un contexte technologique de développement de sources

d’énergie alternatives et le terme de biopile employé ici ne limite pas les applications

potentiellement envisageables à des appareils médicaux implantables. Aussi tout au long de cette

étude, nous nous sommes employés à explorer l’ensemble de la gamme d’applications

potentielles pour une biopile glucose/dioxygène. Nous avons bien évidemment étudié au travers

de la réalisation d’une pile enzymatique la possibilité de réaliser une source d’énergie autonome

pour des appareils médicaux susceptibles d’évoluer dans des milieux biologiques. Les densités

de puissance obtenues en utilisant la glucose oxydase (à l’anode) et la bilirubine oxydase (à la

cathode) entrappées dans des matrices de polypyrrole sont de l’ordre de 42 µW.cm-2.

Malheureusement, la stabilité de ces électrodes et en particulier de la cathode reste faible.

L’amélioration de ce dernier point a néanmoins pu être réalisée en préparant des électrodes

enzymatique où l’enzyme est greffée à la surface de du support carboné par l’intermédiaire d’une

chaîne covalente et où le médiateur est adsorbé à la surface du tube carboné. L’ensemble du

système enzyme/médiateur est par la suite immobilisé dans une matrice électrogénérée de

165

polypyrrole. Cependant, l’amélioration de la stabilité des électrodes s’accompagne d’une

diminution de la densité de puissance du système qui n’est alors que de 20 µW.cm-2. Les

performances des cathodes où la bilirubine oxydase et l’ABTS sont adsorbées sur Vulcan XC

72R avant d’être immobilisées dans une matrice de Nafion®, permettent d’envisager de coupler

cette méthode avec la méthode de greffage covalent. En effet il paraît tout à fait concevable de

lier l’enzyme à la surface des particules de Vulcan XC 72R par greffage covalent, d’adsorber

ensuite le médiateur sur cette même poudre de carbone et d’immobiliser l’ensemble du système

dans une matrice de Nafion®. Une telle électrode pourrait en effet combiner stabilité et

performance. Nonobstant, la réalisation de catalyseurs métalliques Au-Pt destinés à activer

l’oxydation du glucose nous a permis d’envisager des applications pour la nanorobotique. Il est

en effet difficile de concevoir des applications implantables avec ce type de catalyseurs

éminemment connus pour être non-spécifique et non-tolérants. Les performances obtenues sont

de bonnes factures dans un design dont l’optimisation reste à réaliser puisqu’il est possible

d’obtenir une densité de puissance allant de 90 µW.cm-2 pour une concentration en glucose de

10 mM à une puissance de 190 µW.cm-2 pour une concentration en glucose de 0,7 M.

Cependant, la compétition entre les anions (espèces phosphatées) et la molécule de glucose pour

l’adsorption sur les sites catalytiques constitue un frein au développement de l’application.

Pour améliorer les performances de la biopile hybride glucose/O2, il est envisageable de modifier

le volume intertube du système concentrique. Il est également d’utiliser un système

microfluidique permettant notamment d’utiliser des milieux de pH différents à l’anode et à la

cathode de la pile. Les performances catalytiques exhibées par les électrocatalyseurs Au-Pt vis-à-

vis de l’oxydation du glucose en milieu basique permettent d’envisager le développement d’une

pile glucose/O2 fonctionnant à des valeurs de pH élevées. La cathode d’une telle pile pourrait

être conçue à l’aide de nanomatériaux de type Pd-Ni ou bien encore de type Pd-Ag. L’utilisation

d’une phtalocyanine de fer en tant que catalyseur cathodique peut également être envisagée.

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Résumé

Les biopiles représentent une solution attractive et ambitieuse dans le développement des systèmes

alternatifs de conversion d’énergie. Nous proposons de substituer la bioanode d’une pile glucose/O2 par un

catalyseur abiotique constitué de nanomatériaux synthétisés à partir de la méthode « w/o microemulsion ».

Une caractérisation physico-chimique de ces matériaux bimétalliques a permis de déterminer leur taille et de

mettre en évidence leurs propriétés électroniques, les défauts cristallins en leur sein, les déformations dont ils

font l’objet, leur composition de surface et leur caractère allié. Lors de l’étude de l’électrooxydation du

glucose sur les nanostructures Au-Pt, le matériau bimétallique (Au70Pt30) a montré les meilleures performances

catalytiques et ce, en raison d’un effet de synergie entre l’or et le platine, d’une modification des niveaux

d’énergie de la bande de valence du platine et par la présence de défauts cristallins modifiant la surface

catalytique. Le développement de bioélectrodes à base de GOD ou BOD a également été réalisé, soit par

immobilisation dans une matrice de polymère, soit par greffage covalent. Les électrodes préparées ont permis

de réaliser des tests en pile dans un système innovant, concentrique et sans membrane séparatrice. Une

puissance de 42 µW.cm-2 a été obtenue dans une biopile totalement enzymatique en présence de 10 mM de

glucose. La substitution de la bioanode par un nanocatalyseur abiotique Au70Pt30 permet à la biopile de délivrer

une densité de puisssance de 90 µW.cm-2. Une augmentation de la concentration du combustible glucose

(0,7 M) accroît ses performances électriques à 190 µW.cm-2 pour une tension de cellule de 0,5 V.

Mots clés : Electrocatalyse, Nanoparticules, Platine, Or, Glucose

Abstract

Biofuel cells represent an alternative and ambitious solution for the development of alternative power sources.

In this study we propose to replace the bioanode of glucose/O2 biofuel cell by an abiotic nanocatalyst

composed of gold and platinum nanoparticles synthesized by water-in-oil microemulsion method. A deep

physico-chemical characterization of bimetallic materials allowed to determine their size and to bring to light

their electronic properties, their surface composition, their alloyed properties, and both crystalline defects and

strains in their structure. Glucose electrooxidation on Au70Pt30 nanocatalyst in physiological media, showed the

best catalytic performances probably due to a synergistic effect between gold and platinum, a shift of the d-

band center of platinum, and the presence of numerous defects affecting the active surface of the catalyst.

During this work, the development of glucose oxidase or bilirubin oxidase based bioelectrodes was also

realized either by the enzyme entrapment in a polymeric matrix or by covalent grafting. The prepared

bioelectrodes were tested in a novel and membrane-less cell which has a concentric design. A power density of

42 µW cm-2 was delivered in the presence of 10 mM glucose. Under the same conditions, the replacement of

the bioanode by an abiotic nanocatalyst (Au70Pt30) allowed to obtain a power density of 90 µW cm-2. An

increase of glucose concentration (0.7 M) leads to the rise of electrical performances of the biofuel cell which

reach a power density of 190 µW cm-2 for a cell voltage of 0.5 V.

Keywords: Electrocatalysis, Nanoparticles, Platinum, Gold, Glucose

Documents

Préparation et caractérisation de nanoparticules à base d