Ce chapitre est consacré à l’identification des produits d’oxydation du glucose afin de comprendre les phénomènes électrochimiques mis en jeu à l’anode, et pour s’assurer de la non-toxicité des produits, condition préalable à l’implantation de la pile. La chromatographie ionique (IC) et la chromatographie liquide associée à la spectrométrie de masse (LC-MS) ont été utilisées à cet effet.
VII.1. Formation des produits
La pile a été maintenue en fonctionnement par chronopotentiométrie en milieu KOH 0,1 mol.L-1 contenant du glucose 50 mmol.L-1. Pour chaque catalyseur, la densité de courant a été fixée à une valeur correspondant à une densité de puissance légèrement plus faible que son maximum pour être dans des conditions quasi-optimales d’oxydation du glucose, et ainsi obtenir une quantité suffisante de produits à analyser. Le cas de Au70Pt30/rGO est pris en exemple et présenté sur la Figure 108.a. L’évolution des densités de puissance délivrées pendant la chronopotentiométrie est reportée sur la Figure 108.b. La densité de puissance diminue avec le temps. Cela résulte des effets conjugués de la consommation des réactifs aux électrodes et de l’empoisonnement de celles-ci par les espèces non désorbées de leurs sites actifs. Les catalyseurs testés ont été sélectionnés pour comparer différentes compositions métalliques et différents supports. Les densités de courant choisies étaient : 1,17 mA.cm-2 pour Au/Vulcan, 1,5 mA.cm-2 pour Au/rGO, 0,83 mA.cm-2 pour Au70Pt30/Vulcan, 1,0 mA.cm-2 pour Au70Pt30/rGO, 1,5 mA.cm-2 pour Pt/rGO. La Figure 108.b montre que pour les piles au glucose dont l’anode métallique est supportée sur Vulcan, leur densité de puissance diminue très rapidement; par contre celles dont les matériaux catalytiques sont déposés sur rGO continuent de débiter du courant après 1,5 h de fonctionnement. Les solutions d’oxydation du glucose du compartiment anodique ont été récupérées, neutralisées sur résine d’échange cationique, puis lyophilisées pour en déterminer les produits de réaction. La réaction d’échange cationique ayant lieu dans la résine est détaillée à l’Eq. 7.1 :
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Figure 108. (a) Courbes de polarisation et de densité de puissance de la pile en milieu KOH 0,1 mol.L-1 + glucose 50 mmol.L-1 ; anode : Au70Pt30/rGO et cathode : Pt/Vulcan. (b) Évolution de la densité de puissance Pj de la pile pour chaque anode en milieu KOH 0,1 mol.L-1 + glucose 50 mmol.L-1 ; cathode utilisée dans chaque pile : Pt/Vulcan.
VII.2. Chromatographie ionique
VII.2.1. Détermination des temps de rétention des composés
standards
Des solutions aqueuses de référence contenant les produits susceptibles d’être formés lors du fonctionnement de la pile ont été préparées à partir de composés commerciaux. Les acides gluconique, glucuronique et glucarique ont été privilégiés dans cette analyse chromatographique car ils sont les produits potentiels d’oxydation, respectivement à 2, 4 et 6 électrons et sans dégradation du squelette de la molécule initiale (Figure 109). Ces standards existant commercialement, il a été procédé à un étalonnage externe, ce qui permet la détermination des analytes par comparaison des temps de rétention et si possible, leur quantification par proportionnalité au facteur de réponse associé, soit à la surface, soit à la hauteur de pic chromatographique.
Figure 109. Glucose et d’éventuels produits de son électrooxydation sur des catalyseurs à base de Pt et Au.
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Le principe de détection qui a été adopté est tel que la phase mobile, basique, déprotone les acides carboxyliques pour permettre leur détection sous forme carboxylate par conductimétrie (CD) (Figure 110.a). Le glucose non ionisé, est très vite élué, sans presqu’aucune interaction avec la phase stationnaire de la colonne. Il est donc détecté en début de chromatogramme sur l’ampéromètre (ED), c’est-à-dire avant les autres analytes retenus par la colonne et déjà détectés par le conductimètre (Figure 110.b.).
Figure 110. Chromatogrammes IC des composés standards à 10 mmol.L-1, (a) détection conductimétrique (CD) et (b) détection ampérométrique (ED). Eluant : NaOH 10 mmol.L-1.
VII.2.2. Identification des produits d’oxydation du glucose
Les Figures 111.a et 111.b présentent les chromatogrammes des solutions d’oxydation du glucose en pile, enregistrés respectivement avec les détecteurs conductimétrique et ampérométrique. Les comparaisons des temps de rétention confirment la formation de gluconate (5,3 min < tR < 6,6 min en CD ; 5,9 min < tR < 7,1 min en ED) et de glucuronate (9,9 min < tR < 10,4 min en CD ; 10,0 min < tR < 10,5 min en ED) avec tous les catalyseurs testés. Le glucose qui n’a pas été consommé est également détecté comme correspondant au 1er pic en ED (3,0 min < tR < 3,1 min). Un pic supplémentaire de faible intensité apparaît sur chaque chromatogramme aux alentours de tR = 50 min. Il ne peut pas être identifié comme le glucarate car les temps de rétention pour les échantillons sont trop éloignés de celui du standard, il s’agit donc d’un composé inconnu. Les réactions d’oxydation du glucose amenant à la formation du gluconate (Eq. 7.2) et du glucuronate (Eq. 7.3) à pH basique sont les suivantes :
C6H12O6(aq) + 3 HO-(aq) C6H11O7-(aq) + 2 e- + 2 H2O(l) (Eq. 7.2)
C6H12O6(aq) + 5 HO
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Figure 111. Chromatogrammes IC des solutions d’oxydation du glucose en pile sur différentes anodes, enregistrés avec le détecteur (a) CD et (b) ED. Eluant : NaOH 10 mmol.L-1 à 0,3 mL.min-1.
VII.3. Chromatographie liquide couplée à la
spectrométrie de masse
VII.3.1. Séparation et identification des composés standards
Les solutions standards préparées précédemment ont également été utilisés comme référence en LC-MS. Les chromatogrammes des quatre composés injectés en LC (5 µL) sont regroupés sur la Figure 112, sur laquelle sont affichés les temps de rétention des pics détectés. L’éluant est composé d’eau et d’acide formique à 0,01 wt. % dont le débit est fixé à 0,6 mL.min-1. Il est à noter que dans ces conditions expérimentales, les temps de rétention de l’acide glucuronique et de l’acide glucarique sont très proches. Le couplage LC-MS permettra d’établir le spectre de masse du ou des composés identifiés à ce temps de rétention.
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Figure 112. Chromatogrammes des composés standards à 10 mmol.L-1. Eluant : eau ultra-pure + acide formique 0,01 wt. % à 0,6 mL.min-1.
Les spectres de masse du glucose réalisés grâce au mode de fragmentation en cascade, jusqu’aux ions de quatrième génération MS4, sont présentés sur la Figure 113. Le spectromètre fonctionne en mode ionisation négative, ce qui signifie que pour z = 1, le rapport m/z est égal à la masse molaire du composé moins un. L’ion parent fragmenté qui est à l’origine de la génération suivante est systématiquement encadré. Par souci de simplicité, les rapports m/z seront arrondis à l’unité dans le texte. Le fragment le plus abondant, associé au temps de rétention du glucose tR = 8,40 min, possède un m/z = 225, alors que le fragment m/z = 179 (M(glucose) – 1) a une abondance relative de seulement 20 %. A la génération MS2 issue de la fragmentation de l’ion m/z = 225, le fragment m/z = 179 correspondant au glucose déprotoné devient majoritaire. De ce fait, on en déduit que le fragment m/z = 225 correspond à l’association du glucose et de l’acide formique déprotoné : M(glucose) + M(HCOOH) – 1 = 180 + 46 – 1 = 225. Les spectres de masse de générations MS3 et MS4 complètent la signature du glucose ; des exemples d’ions formés par la fragmentation de cette molécule sont présentés sur la Figure 114.