Transformation électrocatalytique de sucres couplée à la réduction enzymatique de l'oxygène moléculaire pour la production d'énergie

THÈSE

Pour l'obtention du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées

Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers - IC2MP (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École doctorale : Sciences pour l'environnement - Gay Lussac (La Rochelle) Secteur de recherche : Chimie théorique, physique, analytique

Présentée par : Yaovi Holade

Transformation électrocatalytique de sucres couplée à la réduction enzymatique de l'oxygène moléculaire

pour la production d'énergie Directeur(s) de Thèse :

Kouakou Boniface Kokoh, Karine Servat

Soutenue le 26 juin 2015 devant le jury

Jury :

Président Jean-Marc Berjeaud Professeur des Universités, Université de Poitiers Rapporteur Régine Basseguy Directrice de recherche CNRS, Université de Toulouse

Rapporteur Hynd Remita Directrice de recherche CNRS, Université Paris-Sud Orsay

Membre Kouakou Boniface Kokoh Professeur des Universités, Université de Poitiers

Membre Karine Servat Maître de conférences, Université de Poitiers

Membre Têko Wilhelmin Napporn Chargé de recherche CNRS, Université de Poitiers

Membre Sophie Tingry Chargée de recherche CNRS, Université de Montpellier 2

Membre Evgeny Katz Professor, Clarkson University, USA

Pour citer cette thèse :

Yaovi Holade. Transformation électrocatalytique de sucres couplée à la réduction enzymatique de l'oxygène moléculaire pour la production d'énergie [En ligne]. Thèse Chimie théorique, physique, analytique. Poitiers : Université de Poitiers, 2015. Disponible sur Internet <http://theses.univ-poitiers.fr>

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THÈSE

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE POITIERS

(Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées) (Diplôme National – Arrêté du 7 août 2006)

École Doctorale : Sciences pour l’Environnement Gay Lussac. Secteur de Recherche : Chimie Théorique, Physique, Analytique

Présentée par :

Yaovi HOLADE

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Transformation Électrocatalytique de Sucres Couplée à la Réduction

Enzymatique de l’Oxygène Moléculaire pour la Production d’Énergie

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Directeur de Thèse : K. Boniface KOKOH Co-directeur de Thèse : Karine SERVAT

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

Soutenue le 26 juin 2015 devant la Commission d’Examen ************************

JURY

Mme _{Régine BASSEGUY Directrice de Recherche au CNRS, Rapporteur}

Université de Toulouse

Mme _{Hynd REMITA Directrice de Recherche au CNRS, Rapporteur}

Université Paris-Sud Orsay

M. Jean-Marc BERJEAUD Professeur, Président

Université de Poitiers

M. Evgeny KATZ Professeur, Examinateur

Clarkson University (NY, USA)

Mme _{Sophie TINGRY Chargé de Recherche (HDR) au CNRS, Examinateur}

Université de Montpellier 2

M. Têko W. NAPPORN Chargé de Recherche (HDR) au CNRS, Examinateur

Université de Poitiers

Mme _{Karine SERVAT Maître de Conférences, Examinateur}

Université de Poitiers

M. K. Boniface KOKOH Professeur, Examinateur

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Remerciements

Ce travail a été réalisé au sein de l’équipe « E3 : Du Site Actif au Matériau Actif, SAMCat » dirigée par Mme _{Florence EPRON, de l’Institut de Chimie des Matériaux et Milieux de Poitiers}

(IC2MP, Université de Poitiers) dirigé par Mme _{Sabine PETIT. Il fait partie du projet}

"ChemBio-Energy, 2012-2015" financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) à travers son programme "Bio-Matières & Énergie" pour le développement de procédés innovants pour la transformation chimique des ressources renouvelables et issues de la biomasse. En premier lieu, j’aimerais donc adresser tous mes sincères remerciements et reconnaissances à l’ANR pour avoir financé ce programme qui a abouti à mon recrutement comme doctorant pour effectuer les tâches qui relevaient de l’expertise de l’IC2MP. J’aimerais aussi remercier les autres organismes qui ont financé mes stages à l’extérieur : la Fondation Poitiers Université, la Région Poitou-Charentes, l’école doctorale Gay-Lussac (ED 523) et le GDR Nanoalliages.

Je remercie Mmes _{Régine BASSEGUY et Hynd REMITA, toutes Directrices de Recherche au}

CNRS d’avoir accepté de rapporter ma thèse. J’aimerais remercier aussi le Pr Jean-Marc BERJEAUD (Université de Poitiers), le Pr Evgeny KATZ (Clarkson University) et Sophie TINGRY (Université de Montpellier 2) pour avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse.

En toute franchise, je pense que la langue française manque de mots pour exprimer tout ce que j’ai reçu de mes Directeurs de thèse, M. K. Boniface KOKOH (Professeur) ; Mme _Karine

SERVAT (Maître de Conférences) et M. Têko W. NAPPORN (Chargé de Recherche aux CNRS et habilité à diriger les recherches, HDR). Vos disponibilités, vos orientations, vos expériences associées à tous vos savoir-faire et savoir-être m’ont été d’un secours inestimable tout au long de ces trois années. Recevez mes considérations distinguées. Depuis mes débuts au sein de votre ex-unité de recherche, « E-lyse » au cours de mon stage en Master 2 Recherche, vous avez guidé non seulement mes premiers pas dans ce vaste univers de la recherche, mais également dans ce qui est « l’autre vie après le labo », je veux parler du social. À travers vos méthodes de questionnement : "Qu’as-tu observé ? Qu’est-ce que toi, tu en penses de prime à bord ?" j’ai grandi en méthodologie et en rigueur dans le travail et dans le raisonnement scientifiques.

Une partie du travail présenté dans ce mémoire a été effectuée au cours d’un séjour de recherche de plusieurs mois au sein du laboratoire "Bioelectronics & Bionanotechnology" du Pr Evgeny Katz (Clarkson University, NY, USA). Cela a été effectif avec la participation active de Kevin MacVittie (PhD), Tyler Colon et Nataliia Guz (PhD). Obviously, I have to express my acknowledgments to them in English. Firstly, I would like to thank Prof. Evgeny Katz (The Milton Kerker Chaired Professor of Chemistry & Biomolecular Science) for having accepted me in his laboratory and Clarkson University for validating his invitation, especially to Prof. Phillip Christiansen (Chairman) as well as his Administrative Secretary Ms. Mary M. Harris-Boyer and Ms. Tess. C. Casler (Director of International Students & Scholars) for all my "paperwork". I

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have learned a lot from your valuable advices. Thank you for your strong supports. During this stay, I got honor to work with the eminent Prof. Vladimir Privman; and Sergii Domanskyi and Shay Mailloux (now PhD) on interesting bioelectronic subject that has led to a Top paper and Journal Cover Page. Dr. Kevin MacVittie (the impressive bionanotechnology "guy"), Tyler Colon (Miniaturized electronics "guy") and Dr. Nataliia Guz (Physical, bioelectrochemical and picnics organization "girl") many thanks for your contributions. I thank also Dr. Maria Gamella Carballo, Brian E. Fratto, Dr. Roberto Luz and Saira Bakshi: it was a pleasure for me to be with you and I sincerely think that the “social parties, picnic” will miss me!

Pour toutes les balises dont j’ai bénéficiées, j’aimerais également présenter mes remerciements et toute ma reconnaissance à Mme _{Cláudia Morais (Maître de Conférences) et qui}

avait codirigé minutieusement et rigoureusement mon stage en Master 2 Recherche en 2012, stage qui avait abouti à deux articles majeurs en catalyse ; fait rarissime pour un Master 2.

Je remercie tous les autres alliés de ChemBio-Energy (spéciales nanofibers girls Adriana et Morgane) puis le Pr Jean-Marc Berjeaud et Clémence Loiseau pour les analyses LC-MS.

J’adresse également mes remerciements au Pr Nicolas Alonso-Vante, Pr Christophe Coutanceau, Pr Laurence Pirault-Roy, MM. Jean-Michel Léger, Clément Comminges et Stève Baranton pour tous les nombreux échanges scientifiques. À M. Aurélien Habrioux (qui m’a passé la main sur les biopiles hybrides), je le remercie pour m’avoir initié à l’enseignement.

J’adresse mes sincères remerciements à M. Jean-Christophe Guillon (dit JC) pour sa disponibilité infaillible et incommensurable envers les étudiants en termes d’équipements.

J’exprime toute ma gratitude au Pr Gbandi Djaneye-Bounjou, Dr _{T. Kodom, D}r _Lidi

Bessi-Kama (TOGO), Dr _{Saidou Boukari ainsi qu’à Marc Makpawo, Patrick Simmalla et autres}

membres de l’ACTP (Togolais de Poitiers). Je ne saurais exprimer leurs précieux apports.

Aux Mmes _{Sandrine Arrii-Clacens, Christelle Roudaut, Julie Rousseau, Nadia Guignard,}

Christine Canaff et Suzie Poulain du Service des Mesures Physiques, un grand merci pour votre savoir-faire expérimental. Grand merci aussi aux MM. Claude Rouvier et Michel Chauveau.

Je tenais à remercier tous mes collègues ainés Pradel, Seydou, Désiré, Thomas, Vanessa, Anna, Jiwé, Amanda (la Miss Electrochemistry) et compagnons d’armes Samuel, David, Modibo, Marielle, Kerim, Baggio, Déborah, Naima, Amélie, Marie, Rodrigo et les jeunes Ismail, Nihat, Kavita (dite "Caviar"), Pouajaguy (dite "Lapoue")... qui sont devenus des frères et sœurs.

Je remercie aussi mes chers Radiolysis girls & guy of Paris-Sud Orsay : Anaïs, Srabanti, Ana, Guadalupe, Natalie, Dita, Marie & Alexandre et leur commande de bord Dr _{Hynd Remita.}

Aux autres membres du quintuple HOLADE, dans l’ordre Médard, Papolassiki, Akoua et Judith, je n’existerai pas et ne ferai pas ce travail sans votre abnégation. Je vous le dédie.

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Sommaire

INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 7

CHAPITRE I : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE ... 13

I.1. Générateurs électrochimiques d’énergie... 14

I.1.1 La problématique énergétique mondiale ... 14

I.1.2 Les piles à combustible : Historique et classification ... 15

I.1.3 Les différents types de biopile sucre/O2... 17

I.1.3.1. La pile glucose/O2 ... 18

I.1.3.2. La biopile fructose/O2 ... 26

I.1.3.3. Autres biopiles sucre/O2 ... 27

I.1.4 Valorisation de la biopile sucre/O2 : Verrou scientifique ... 27

I.2. Synthèse des catalyseurs nanométriques : État de l’art ... 29

I.2.1 Introduction aux nanomatériaux ... 29

I.2.1.1. Définition ... 30

I.2.1.2. Propriétés générales ... 31

I.2.1.3. Domaines d’application et nanotoxicologie ... 35

I.2.2 Méthodes de synthèse des nanomatériaux pour l’Électrocatalyse ... 36

I.2.2.1. Méthode « Bromide Anion Exchange : BAE » ... 37

I.2.2.2. Méthode microémulsion dite « water-in-oil » ... 38

I.2.2.3. Autres méthodes de synthèse ... 39

I.3. Les techniques d’immobilisation des enzymes ‒ Transfert électronique ... 40

I.4. Les sucres... 42

I.4.1 Production, propriétés, valorisation et problématique ... 42

I.4.2 Oxydation électrocatalytique sur les métaux ... 46

I.4.2.1. Électrooxydation du glucose ... 46

I.4.2.2. Électrooxydation du fructose ... 49

I.4.2.3. Électrooxydation du lactose ... 50

I.4.2.4. Électrooxydation du saccharose ... 51

I.4.3 Électrooxydation enzymatique des sucres ... 51

I.5. Électroréduction du dioxygène ... 53

I.5.1 Problématique de la réaction de réduction du dioxygène (ORR) ... 54

I.5.2 Électrocatalyseurs abiotiques ... 55

I.5.3 Électrocatalyseurs enzymatiques ... 56

I.6. Conclusion, objectifs et stratégies ... 59

I.7. Glossaire : Liste des abréviations et des symboles ... 61

I.8. Encart : Une Histoire des Sciences. Naissance et évolution de l’Électrochimie ... 62

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II.1. Les fondamentaux : Nettoyage du matériel expérimental ... 70

II.2. Méthodes de synthèse des matériaux nanostructurés ... 71

II.2.1 Méthode chimique : « Bromide Anion Exchange, BAE » ... 71

II.2.2 Autres alternatives : Utilisation des méthodes physiques ... 75

II.3. Méthodes de caractérisation électrochimique ... 75

II.3.1 Préparation de l’encre catalytique ... 75

II.3.2 Voltammétrie cyclique à variation linéaire de potentiel (CV) ... 76

II.3.3 Technique « CO stripping » ... 79

II.3.4 Détermination de la surface active électrochimique ... 81

II.3.5 Électrode à disque (et à anneau) tournant(s) (EDT/EDAT) ... 83

II.3.6 Chronoampérométrie et chronopotentiométrie ... 84

II.3.7 Électrolyses prolongées à potentiels contrôlés (EPPC) ... 85

II.3.8 Tests en pile ... 87

II.3.9 L’Électrocatalyse : Les fondamentaux ... 89

II.4. Techniques de caractérisation physicochimique ... 92

II.4.1 Analyse thermique différentielle et gravimétrique (ATD-ATG) ... 92

II.4.2 Spectroscopie d’émission optique de plasma couplée par induction (ICP-OES) .. 93

II.4.3 Diffraction des rayons X ou Diffraction aux rayons X (DRX) ... 93

II.4.4 Microscopie électronique en transmission (MET) ... 94

II.4.5 Spectroscopie de dispersion d’énergie de rayons X (EDX) ... 97

II.4.6 Spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) ... 98

II.4.7 Mesure des isothermes d’adsorption d’azote – Surface BET... 100

II.4.8 Spectroscopie Raman ... 101

II.5. Méthodes (électro)analytiques qualitatives et quantitatives ... 102

II.5.1 Spectroélectrochimie : Spectroscopie de réflexion in situ (IRTF) ... 102

II.5.2 Chromatographie liquide ionique à haute performance (CLIHP)... 104

II.6. Conclusions ... 106

CHAPITRE III : CARACTÉRISATIONS PHYSICOCHIMIQUES DES MATÉRIAUX ... 107

III.1. Caractérisations physicochimiques des supports de carbone ... 108

III.1.1 Caractérisation par ATG-ATD et DRX : Vulcan et Ketjenblack ... 108

III.1.2 Effet du pré-traitement thermique sur les propriétés des supports ... 109

III.1.2.1. Propriétés texturales (Surface BET) et analyse élémentaire ... 109

III.1.2.2. Étude par Spectroscopie Raman ... 112

III.1.2.3 Morphologie des supports d’électrodes en piles : MEB ... 114

III.2. Caractérisations ATG-ATD et Analyses élémentaires par ICP-OES des matériaux.... 115

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III.4. Études microscopiques des nanocatalyseurs par MET et EDX... 122

III.5. Caractérisation des nanocatalyseurs par spectroscopie XPS... 130

III.5.1 Monométalliques : Effet de l’agent réducteur et Vieillissement ... 130

III.5.2 Effets électroniques dans les nanocatalyseurs multimétalliques ... 132

III.6. Conclusions sur les propriétés physicochimiques des matériaux ... 133

CHAPITRE IV : CARACTÉRISATIONS ÉLECTROCHIMIQUES DES NANOCATALYSEURS ... 135

IV.1. Caractérisations par voltammétrie cyclique en milieu modèle : Basique ... 136

IV.1.1 Les nanocatalyseurs monométalliques ... 136

IV.1.1.1 Le platine : Pt/C et Pt/KB... 136

IV.1.1.2. Le palladium : Pd/C et Pd/KB ... 140

IV.1.1.3. L’or : Au/C et Au/KB ... 143

IV.1.2 Les nanocatalyseurs plurimétalliques ... 145

IV.1.2.1. Les catalyseurs bimétalliques Au-Pd/C ... 145

IV.1.2.2. Les catalyseurs bimétalliques Au-Pt/C ... 147

IV.1.2.3. Les catalyseurs trimétalliques Au-Pt-Pd/C ... 148

IV.2. Caractérisations par voltammétrie cyclique en milieu tampon pH 7,4 ... 149

IV.2.1 Les nanocatalyseurs monométalliques ... 149

IV.2.2 Les nanocatalyseurs multimétalliques ... 150

IV.3. Conclusions sur les propriétés électrochimiques des nanomatériaux ... 152

CHAPITRE V : ÉTUDE SYSTÉMATIQUE DE L’ÉLECTROOXYDATION CATALYTIQUE DES SUCRES EN MILIEUX AQUEUX ... 153

V.1. Réactivité du glucose sur les nanocatalyseurs en milieu basique ... 157

V.1.1 Électrooxydation du glucose sur les catalyseurs nanostructurés ... 157

V.1.1.1. Les nanocatalyseurs monométalliques ... 157

V.1.1.2 Les nanocatalyseurs bimétalliques Au-Pt/C et Au-Pd/C ... 159

V.1.1.3 Les nanocatalyseurs trimétalliques Au-Pt-Pd/C ... 161

V.1.2 Détermination des paramètres cinétiques par le modèle de Tafel ... 162

V.2. Études des réactions d’électrooxydation en milieu tampon pH 7,4 ... 163

V.2.1 Effet de la vitesse de variation linéaire du potentiel d’électrode... 163

V.2.1.1 Cas de l’électrooxydation du glucose ... 163

V.2.1.2. Cas de l’électrooxydation du galactose et du lactose ... 164

V.2.2 Effet de la concentration du glucose sur sa réactivité ... 166

V.2.3 Électrode à disque tournant EDT : Cas du glucose ... 168

V.2.4 Étude de la stabilité par la chronoampérométrie ... 170

V.2.5 Effet de la température... 171

V.2.5.1. Cas de l’électrooxydation du glucose ... 172

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V.3. Conclusions sur l’activité électrocatalytique des nanomatériaux ... 176

CHAPITRE VI : ÉTUDES SPECTROÉLECTROCHIMIQUES ET ANALYTIQUES DE L’ÉLECTROOXYDATION DES SUCRES ... 177

VI.1. Études spectroélectrochimiques de l’électrooxydation des sucres ... 178

VI.1.1 Électrooxydation du glucose à pH 13 suivie par infrarouge in situ ... 180

VI.1.1.1. Études in situ lors de la voltammétrie cyclique : Technique SPAIRS ... 180

VI.1.1.2. Études in situ lors de la chronoampérométrie : Technique FTIR ... 183

VI.1.2 Électrooxydation en milieu tampon pH 7,4 suivie par infrarouge ... 185

VI.1.2.1. Études in situ lors de la voltammétrie cyclique : Technique SPAIRS ... 185

VI.1.2.2. Études in situ lors de la chronoampérométrie : Technique FTIR ... 186

VI.2. Électrolyses et analyses chromatographiques des produits de réaction ... 187

VI.3. Couplages (électro)analytiques : Électrolyses, FTIR, CLIHP, HPLC, LC-MS ... 190

VI.4. Proposition de schéma réactionnel sur les nanocatalyseurs ... 192

VI.5. Conclusions sur les analyses (électro)analytiques ... 194

CHAPITRE VII : TESTS EN PILES À COMBUSTIBLE – APPLICATIONS BIONANOTECHNOLOGIQUES ... 195

VII.1. Tests en biopile hybride (hBFC) : Anode en nanomatériaux métalliques ... 196

VII.1.1 Validation de la méthode de test en pile : GSD versus CRD ... 196

VII.1.2 Mesure des potentiels des demi-piles : Catalyseur limitant ... 197

VII.1.3 Performances des hBFCs : Nature du nanocatalyseur anodique ... 198

VII.1.4 Étude de la stabilité des hBFCs dans le temps ... 199

VII.2. Design de la pile abiotique pour les applications en bionanotechnologie ... 200

VII.2.1 Études préliminaires dans une cellule à trois électrodes ... 200

VII.2.2 Performances des piles abiotiques en milieu tampon pH 7,4 ... 201

VII.2.2.1 Influence de la composition des électrodes ... 201

VII.2.2.2. Effet de la charge métallique des électrodes : Pt (-) et Au60Pt40 (+) ... 202

VII.2.2.3. Influence de la concentration en glucose : Pt (-) et Au60Pt40 (+) ... 203

VII.2.3 Applications biomédicales : Activation d’un pacemaker ... 204

VII.2.3.1. Utilisation d’un sérum humain : Courbes de polarisation E(j) et P(j) ... 204

VII.2.3.2. Activation en conditions réelles d’un pacemaker in vitro ... 205

VII.2.4 Applications civiles et militaires : Pile implantée dans des fruits ... 207

VII.2.4.1 Électrodes implantées : Courbes de polarisation E(j) et P(j) ... 207

VII.2.4.2. Design de système de transmission d’information : Mode "Wi-fi" ... 208

VII.3. Conclusions sur les applications réelles des systèmes développés ... 210

CONCLUSION GÉNÉRALE ... 211

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 217

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La conjoncture énergétique mondiale est en pleine métamorphose. Cette mutation est due à la diminution sans cesse croissante des ressources disponibles pour les énergies fossiles et aux problèmes de pollution qui obligent à la réduction des gaz à effet de serre. À cela s’ajoute la demande de plus en plus croissante en énergie corrélée par le développement des appareils électriques nécessitant plus d’autonomie énergétique. Cette problématique a accentué l’intérêt porté aux autres sources telles que les énergies solaire, éolienne et hydraulique. Les deux premières sources sont intermittentes et dépendantes des conditions climatiques. Une alternative concerne la possibilité de convertir directement l’énergie chimique en énergie électrique au moyen d’un dispositif appelé générateur électrochimique. On en distingue trois types. La première famille est appelée générateurs électrochimiques primaires ; ce sont les piles qui délivrent de l’électricité au cours d’une réaction chimique d’oxydoréduction et ont la particularité d’être non rechargeables. Il s’agit par exemple de la pile au lithium qui alimente le stimulateur cardiaque (pacemaker) et qui a une densité énergétique de 250 kW·kg-1 ; elle délivre 2,8 V pour une perte de capacité au cours du temps évaluée à ca. 10 % sur 10 ans. Pour résoudre ce problème (caractère non rechargeable), une autre classe de générateurs électrochimiques rechargeables dits accumulateurs — générateurs électrochimiques secondaires — et dans lesquels les réactions redox sont renversables a été préconisée. Ainsi, le système peut fonctionner en générateur d’énergie (décharge) ou en récepteur (charge) en utilisant une source de courant continue externe : il s’agit des accumulateurs des voitures et des appareils portables. Mais très vite, il s’est avéré que toutes les attentes n’étaient pas satisfaites. En effet, leur durée de vie est limitée par le nombre de cycles charge-décharge et ils ne peuvent pas alimenter de grandes installations. Par conséquent, aucune de ces deux catégories ne peut répondre à la production décentralisée d’énergie électrique. Par ailleurs, pour des lieux reculés où la connexion au circuit électrique est très difficile, une solution en gestation depuis plus de 200 ans devient possible. Il s’agit des générateurs électrochimiques tertiaires connus sous le nom de piles à combustible (PAC). La singularité de ce système est de pouvoir convertir directement l’énergie chimique stockée dans les molécules organiques (sous forme de liaisons chimiques) en énergie électrique à partir de réactifs renouvelés continûment. Leur avantage est qu’elles ne sont pas limitées par le théorème de Carnot comme c’est le cas des moteurs thermiques, ce qui en résulte des rendements de conversion élevés.

Par ailleurs, les dispositifs implantables requièrent une taille et une masse réduites. À l’heure actuelle, ce sont les générateurs secondaires qui les alimentent. L’énergie électrique ne provient pas alors de l’utilisation de combustibles présents dans l’hôte à l’instar des sucres, mais d’éléments redox préinstallés. Or, en théorie, de la présence simultanée de sucre (dont se nourrissent les cellules vivantes) et d’oxygène (issue de la respiration) peut en résulter une

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réaction chimique convertible en électricité, offrant ainsi une réserve énergétique illimitée puisque les deux y sont présents en permanence. Ainsi, le réapprovisionnement constant en réactifs doit permettre à la source d’énergie de fonctionner théoriquement indéfiniment et de façon indépendante sans avoir besoin de recharge externe (cas des accumulateurs) ou de ravitaillement. Ainsi, cela peut permettre d’éviter des opérations chirurgicales répétitives de remplacement dans le cas de dispositif médical implanté comme des pacemakers, des pompes à insuline ou encore des capteurs sous-cutanés pour la mesure du taux de glucose chez les patients diabétiques. Cependant, la température de fonctionnement, la nature du combustible et la difficulté à miniaturiser la plupart des PAC les rendent inenvisageables pour des applications potentiellement implantables. Il s’avère donc nécessaire de développer une nouvelle génération de convertisseurs capables de fonctionner en milieu physiologique. C’est dans cette optique qu’ont été introduites les biopiles (BFCs) qui n’utilisent que les combustibles se trouvant en abondance dans les milieux physiologiques. À l’opposé des autres combustibles qui présentent des risques potentiels pour des applications médicales (toxicité du méthanol, stockage de H2), le

glucose est le combustible idéal. En effet, c’est un sucre qui ne présente aucune toxicité et est très disponible. Ces BFCs constituent donc une solution de rechange pour extraire l’énergie électrique à partir de liquides biologiques pour l’autonomie des micro-dispositifs implantés. Ils fournissent une énergie propre, écologique, renouvelable et inépuisable. Les premières tentatives inspirées des PAC classiques ont commencé au début des années 1960.

Mais il a fallu attendre l’avènement des nanotechnologies à l’orée des années 1990 pour leur redonner un nouvel élan. Classiquement, une BFC est une pile au sein de laquelle l’un au moins des catalyseurs est d’origine biologique. Dans une BFC enzymatique, les deux catalyseurs sont des enzymes alors que dans une BFC bactérienne ou pile microbienne, les catalyseurs sont des bactéries ou des microbes. Des études récentes d’utilisation d’une BFC enzymatique pour activer un pacemaker ont abouti à la conclusion selon laquelle la stabilité des piles devrait être améliorée. L’une des solutions préconisées par les bioélectrochimistes est l’optimisation des méthodes d’immobilisation des enzymes. Malheureusement, de telles propositions sont vaines en ce qui concerne le biocatalyseur anodique couramment utilisé : la glucose oxydase (GOx). En

effet, dans un design sans membrane séparatrice (critère essentiel pour l’implantation in vivo), la GOx catalyse une réaction parasite de consommation du comburant (O2) et du combustible. Cette

réaction conduit à la formation du peroxyde d’hydrogène (H2O2), fort inhibiteur de l’enzyme, ce

qui conduit à une diminution drastique des performances de la pile. Dès lors, une nouvelle classe de BFC est née des efforts entrepris pour améliorer les performances de stabilité ; efforts qui ont abouti à la substitution d’une enzyme par un catalyseur abiotique : dans ce cas, il s’agit de biopile hybride (hBFC). Ce projet de thèse s’inscrit dans cette démarche d’amélioration de la

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stabilité dans le temps par l’élaboration de nanoparticules métalliques pour servir de catalyseurs anodiques. Le présent projet est la continuité des recherches commencées au laboratoire depuis une dizaine d’années pour l’utilisation de nanomatériaux composés d’or et de platine pour oxyder le glucose au sein d’une hBFC.

À l’issue des premiers tests en hBFCs réalisés au sein du laboratoire entre 2006-2009, il a été fait état de la nécessité d’améliorer l’activité des nanomatériaux. En effet, l’accessibilité des molécules du réactif aux sites actifs des catalyseurs était limitée par les molécules de tensioactif utilisé lors de la mise en œuvre de la méthode de synthèse. Le premier objectif consistera donc à mettre au point un nouveau procédé sans molécules organiques. La nécessité de préparer des matériaux nanodivisés est venu du fait que les réactions électrocatalytiques sont des processus de surface. Donc, seuls les atomes exposés en surface et dans une moindre mesure ceux des secondes couches atomiques interviennent de façon importante dans la réaction. L’utilisation de métaux à l’état massif est donc devenue non seulement obsolète mais a également des répercussions économiques sur le procédé final. La dernière décennie a vu l’explosion des méthodes de synthèse ayant abouti à des progrès substantiels en science des matériaux. Malheureusement, la plupart de ces voies — qui conduisent, il faut le reconnaître à une palettes de formes et de tailles aussi petites que belles — impliquent des molécules organiques utilisés comme agents tensioactifs et/ou de surface pour le contrôle et la maîtrise de la taille, de la forme et de la structure, paramètres clefs de toute propriété physicochimique et électrocatalytique. Cela a pour conséquence directe l’inaccessibilité à certains sites catalytiques qui sont bloqués par ces molécules encore fortement adsorbés malgré les méthodes de nettoyage. De plus, malgré la mise au point de méthodes de nettoyage efficaces, il en résulte généralement une altération de la structure initiale du nanocristal. L’approche simple proposé dans cette thèse a l’avantage de ne pas utiliser de molécules organiques et présente un caractère environnemental associé à une production efficace de nanomatériaux avec de bon rendement de synthèse et réduisant de facto le coût du procédé.

Associer de l’or à du platine a constitué la première étape de ce travail. En effet, l’or présente une activité remarquable pour l’oxydation des hémiacétals mais à des potentiels relativement élevés. Le platine est le meilleur catalyseur pour la déshydrogénation du carbone anomérique des sucres mais se désactive très vite. L’élaboration de catalyseurs bimétalliques permettrait ainsi d’augmenter la cinétique de la réaction et la stabilité. D’autre part, le palladium dont l’activité électrocatalytique en oxydation des sucres se trouve être intermédiaire de celles du platine et l’or, a été également utilisé comme troisième métal. Cette démarche est d’autant plus intéressante qu’il est plus abondant que le platine. Finalement, divers sucres issus de la biomasse, molécules renouvelables et attractifs comme combustibles ont été retenus pour cette étude.

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La première partie de ce mémoire est consacrée à la revue bibliographique. En dressant l’état de l’art, il s’agit de mieux aborder ce sujet par rapport à ce qui a été déjà fait, pour une contribution significative. Jugée par certains d’être la démarche épistémologique de tout travail de la recherche, l’étude bibliographique constitue le socle de la recherche fondamentale.

Le second chapitre a été dédié à la présentation, à la description et à l’analyse des procédures expérimentaux. De plus, la méthode de préparation des matériaux nanostructurés par la méthode d’échange par l’anion bromure (Bromide Anion Exchange) a été décrite. Par ailleurs, les techniques de caractérisation physicochimique et électrochimique utilisées au cours des ces trois années ont été décrites.

La troisième partie présente les résultats découlant de l’étude de la physicochimie des matériaux en partant des supports carbonés commerciaux à ceux élaborés. Une attention particulière a été accordée à la compréhension structurale des nano-objets avec comme objectif la corrélation future des propriétés physicochimiques et électrocatalytiques.

Dans le quatrième chapitre, les nanocatalyseurs ont été caratérisés par la technique électrochimique de voltammétrie cylique à variation linéaire de potentiel. Elle permet de rentrer dans l’intimité électrochimique des nanocatalyseurs pour faire ressortir leurs spécificités.

Le chapitre cinq a porté sur l’étude systématique et fondamentale des réactions d’électrooxydation catalytiques des sucres qui seront utilisés comme combustible dans les PAC. Ainsi, l’étude de la cinétique électrochimique des réactions a précédé celle de leur stabilité.

Dans le chapitre six ont été présentés les résultats de l’étude concernant la nature des produits de réaction par l’emploi d’un arsénal de méthodes (électro)analytiques aussi spécifiques que complémentaires aboutissant à un schéma réactionnel.

Finalement, les résultats des tests en biopile hybride mais aussi en pile sans enzymes ni membrane séparatrice ont été présentés dans le septième chapitre. Cette partie se termine par les premiers tests réalisés pour l’activation de systèmes bioélectroniques comme un pacemaker ou un système de transmission d’information au moyen d’une pile glucose/O2 constituée de

13

CHAPITRE I : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE

numéros des références en question sont indiqués de façon à alléger les titres des légendes)

« Le corps humain : Une source d’énergie électrique inépuisable. Et si mon corps, ton corps, son corps et notre corps abritait en lui une source d’énergie non polluante, écologique, renouvelable et inépuisable ? Pour cause, nos cellules se nourrissent de sucres; nous respirons de l’air, cet air contient de l’oxygène ; et les molécules de sucre et d’oxygène sont faites de liaisons chimiques. Or, qui dit liaisons chimiques, dit explicitement énergie chimique

stockée. En théorie, de la présence simultanée de sucre et d’oxygène peut en résulter une réaction chimique

convertible1 _{en électricité, offrant ainsi une réserve énergétique illimitée puisque les deux sont présents en}

permanence dans le corps humain vivant. En effet, le glucose perd des électrons et via une connexion électrique, ces derniers migrent vers l’oxygène qui va alors se transformer en eau ; ce processus libère de l’énergie, récupérable sous forme d’électricité. De facto, depuis les années 1960, des scientifiques se sont intéressés de près au glucose qui alimente nos cellules, comme combustible pour la production d’énergie électrique. Embarquée à bord du « vaisseau humain », le réapprovisionnement constant des réactifs frais à partir du corps humain doit permettre à cette source d’énergie, théoriquement, de fonctionner indéfiniment2 et de façon indépendante sans avoir besoin de recharge externe ou de ravitaillement comme c’est le cas pour les batteries. Voilà de quoi alimenter des dispositifs médicaux implantés comme des stimulateurs cardiaques (pacemakers), des pompes à insuline ou encore des capteurs sous-cutanés pour la mesure du taux de glucose chez les patients diabétiques… Problème : les verrous scientifiques sont gigantesques puisque cette réaction chimique est si lente que, faute de technologie adaptée, l’idée a été très vite abandonnée. L’avènement des nanotechnologies à l’orée des années 1990 a revigoré et boosté le moral des scientifiques. En cette année 2014, les prouesses technologiques ont repoussé les frontières de l’impossible conduisant à l’échelle de laboratoire, à des systèmes in vitro/vivo aussi performants que miniaturisés. Le transfert de compétences pour des applications industrialisées n’est plus qu’inéluctable et une question d’années, tant l’évolution exponentielle de ces 5 dernières années a été riche de savoir-faire ».

Éditorial de Yaovi HOLADE, 12 juin 2014, Clarkson University, Potsdam, NY, USA.

1 _{La présence d’éléments appelés « catalyseurs » est une condition sine qua none.} 2 _{Conditionnée par la durée de vie de l’hôte.}

14

I.1.

Générateurs électrochimiques d’énergie

Un générateur électrochimique d’énergie est un système capable de convertir/transformer directement l’énergie chimique — issue d’une réaction électrochimique — en énergie électrique. Il existe trois types de générateurs électrochimiques [1] :

v les « générateurs électrochimiques primaires » : ce sont les piles qui délivrent de l’électricité au cours d’une réaction chimique d’oxydoréduction et qui sont non rechargeables. Dans un tel système, la récupération de l’énergie chimique de la réaction se fait par l’intermédiaire d’un circuit électrique externe. La pile Leclanché (f.é.m. 1,5 V ; 80 kW·kg-1) ; la pile Mallory (f.é.m. 1,4 V‒1,5 V ; 120 kW·kg-1) ; la pile au lithium (f.é.m. 3,0 V ; 330 kW·kg-1) ; pile pour stimulateurs cardiaques (f.é.m. 2,8 V ; 250 kW·kg-1) ayant une perte de capacité de 10 % en 10 ans, sont autant d’exemples de générateurs primaires,

v les générateurs électrochimiques rechargeables (accumulateurs ou batteries) également appelés « générateurs électrochimiques secondaires » s’appuient sur des réactions redox

renversables. Ainsi, le système peut fonctionner en générateur d’énergie (décharge) ou en

récepteur (charge) en utilisant une source de courant continue externe [2],

v les « générateurs électrochimiques tertiaires » connus sous le nom de pile à combustible (PAC). Leur spécificité est de pouvoir convertir directement l’énergie chimique d’une réaction d’oxydation d’un combustible (dihydrogène, oxyde, polyols…) en présence d’un comburant (dioxygène) en énergie électrique [3-8].

Après le rappel de la problématique énergétique mondiale, la discussion sera orientée dans la suite vers les PAC.

I.1.1 La problématique énergétique mondiale

La pierre angulaire qui, durant de longues décennies a soutenu — et continue d’être un moteur — la croissance économique, est l’énergie. Malheureusement, la production énergétique a été longtemps fondée sur les combustibles fossiles [9] ou récemment sur le nucléaire. Mais de nos jours, le paradigme énergétique mondial est en plein changement. En effet, l’épuisement des ressources fossiles, la fluctuation du prix de l’« or noir » et les risques nucléaires — catastrophe de Tchernobyl en Ukraine en 1986, accident nucléaire de Fukushima au Japon en 2011 — ont poussé à examiner d’autres alternatives qui pourraient conduire à un avenir énergétique prospère,

15

durable et sûr pour le monde. En ce début du XXIe s., les avancées technologiques ne cessent de faire augmenter l’accès à une énergie propre, abordable et fiable. Tous les différents secteurs économiques (agro-alimentaire, pharmaceutique, textile, nanotechnologie,…) ont des besoins énergétiques de plus en plus croissants. Par ailleurs, au cours de ces deux dernières décennies, les sucres issus de la biomasse sont devenus, du point de vue électrocatalytique, intéressants. Cet intérêt prononcé est dû à leur utilisation potentielle dans une biopile — type de pile à combustible — pour de nombreuses applications : détection du diabète, alimentation des stimulateurs cardiaques ou d’autres appareils implantables [5,10,11], ou encore l’assainissement des eaux usées [12]. Le recours à un générateur électrochimique est envisagé lorsque la connexion au réseau est impossible ou s’avère trop onéreuse. C’est le cas des systèmes mobiles, véhicules électriques par exemple, et des systèmes portatifs ou portables (téléphone). Dans le cas d’espace limité ou de masses trop importantes des batteries, les systèmes miniaturisés tels que les micro-biopiles peuvent être envisagés.

I.1.2 Les piles à combustible : Historique et classification

Le concept de pile à combustible (PAC) est né des expériences réalisées par W. R. Grove dans la moitié du XIXe _{s. [13]. En étudiant l’électrolyse de l’eau, il en eut l’idée d’inverser les}

bornes. La technologie va évoluer pour aboutir à différents types (Annexe A1) [3,14,15]. Contrairement aux moteurs thermiques, les PAC ne sont pas limitées par le théorème de Carnot. Il en résulte des rendements de conversion élevés comme le montre le Tableau 1. Avec le perfectionnement des technologies, il est désormais possible d’obtenir des densités de puissance élevées. De là vont en découler plusieurs applications allant de simples implants à des applications sous-marines, pour l’exploration spatiale ou les transports [14,15]. Dès le début des années 1960, la PAC sera utilisée par la NASA (National Aeronautics and Space Administration, USA) pour servir de source d’énergie et d’eau. Ainsi, une pile à combustible à électrolyte polymère solide (Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC), de 1 kW et fabriquée par

General Electric, sera embarquée dans les missions Gemini de la NASA de 1962 à 1966 [16]. De

même, en 1964 au cours de l’exploration lunaire, une pile à combustible alcaline (Alkaline Fuel Cell, AFC) fabriquée par Pratt & Whitney et délivrant 1,5 kW, sera utilisée pour les modules de commande et de service des missions Apollo [16].

Pour se passer des problèmes de polluants et des gaz à effet de serre, les piles de type PEMFC où seul l’hydrogène est la source d’énergie, ont été proposées à l’industrie automobile. Ce système comporte une membrane conductrice ionique qui vise à empêcher le passage des

16

réactifs d’un compartiment à l’autre. Cependant, la température de fonctionnement, la nature du combustible et la difficulté à miniaturiser la plupart de ces systèmes (PAFC, SOFC, MCFC, PEMFC…) les rendent inenvisageables pour des applications potentiellement implantables. Il s’avère donc nécessaire de développer une nouvelle génération de convertisseurs d’énergie capables de fonctionner en milieu physiologique. C’est dans cette optique qu’ont été introduites les biopiles (BFCs) qui n’utilisent que les combustibles issus de la biomasse et qui se trouvent en abondance dans les milieux physiologiques. À l’opposé des autres combustibles qui présentent des risques potentiels pour des applications médicales (toxicité du méthanol, stockage du dihydrogène), le glucose est le combustible idéal. En effet, c’est un sucre du sang, disponible et qui ne présente aucune toxicité. La suite se focalise sur les BFCs.

Tableau 1. Types de PAC. Comb. (Combustible), R % (rendement de pile), P (Puissance potentiellement accessible), Tfonc (Température de fonctionnement) [1,3,14,15].

Type Électrolyte Comb. T_fonc/°C R % P / kW Applications

PAFC[1] H 3PO4 H2 160 ‒ 210 40 40 ‒ 11000 Centrales électriques, bateaux, immeubles MCFC[2] Li₂CO₃/K₂CO₃ H2, H2/CO, CH₄ 650 55 ‒ 60 25 ‒ 1000 Centrales électriques, bateaux AFC[3] _KOH H 2 80 47 ‒ 65 20 ‒100 Espace, défense, alimentation continue

SOFC[4] ZrO₂/Y₂O₃ H2, H2/CO,

CH₄ 850 ‒ 1000 55 ‒ 60 20 ‒ 100 Centrales électriques, bateaux, immeubles PEMFC[5] Membrane (Nafion®) H2 85 50 ‒ 60 10 ‒ 100 Espace, véhicule électrique, sous-marins SAMFC[6] Membranes OH- H2, alcools < 80 - Dizaines de watts Portables DMFC[7] Membrane (Nafion®) H+ Méthanol 70 – 110 40 0,01 ‒ 10 Véhicule électrique, sources autonomes, portables DEFC[8] Membrane (Nafion®) H+ Éthanol 70 – 110 20 ‒ 30 0,01 ‒ 5 Sources autonomes, portables BFC[9] Phosphate buffer (pH 7,4) Sucres de la biomasse < 40 ‒ ~ 10-6 Implants

N.B: PAC = Pile À Combustible [1] PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell [2] MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell [3] AFC: Alkaline Fuel Cell

[4] SOFC: Solid Oxide Fuel Cell

[5] PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell [6] SALFC : Solid Alkaline Membrane Fuel Cell [7] DMFC: Direct Ethanol Methanol Fuel Cell [8] DEFC: Direct Ethanol Fuel Cell

17

I.1.3 Les différents types de biopile sucre/O

En 1966, Young et al. [17] ont défini la biopile comme étant une pile à combustible dont l’un au moins des deux catalyseurs est d’origine biologique. En partant de cette définition provisoire, les différentes études menées depuis quelques dizaines d’années conduisent au classement des BFCs en trois catégories : la biopile microbienne, la biopile enzymatique et la biopile hybride. En toute rigueur, cette 1ère définition est lacunaire et doit être revisitée puisque ne faisant pas mention des conditions de fonctionnement (température, pH…). Mieux encore, depuis l’introduction du terme « biopile », d’innombrables prototypes ont été présentés avec comme électrodes, des catalyseurs d’origine non biologiques — métaux, composés et complexes inorganiques [10,18]. Le critère de base pour la définition doit tenir compte des conditions de fonctionnement. Désormais, il faudra définir une biopile comme une pile à combustible opérant

dans des conditions (quasi-)biologiques. En partant de cette nouvelle définition, les biopiles

peuvent être regroupées en quatre catégories : biopile bactérienne ou microbienne (MFC ou mBFC), biopile enzymatique (eBFC), biopile hybride (hBFC) et biopile abiotique (aBFC).

La biopile bactérienne ou pile microbienne utilise comme catalyseurs des bactéries ou microbes (MFC : Microbial Fuel Cell). Historiquement, c’est le premier type de BFC à être développé. Les microbes sont utilisés à la fois pour réduire le dioxygène et pour oxyder le combustible. Le transfert électronique se fait entre le micro-organisme et la surface de l’électrode [5,19,20]. En général, ce sont des systèmes robustes qui peuvent opérer sur des matières premières variables et qui résistent à l’empoisonnement, et sont capables d’oxyder le substrat complètement en dioxyde de carbone et en eau. De facto, les MFCs vont trouver leur application principale dans le traitement des eaux et des déchets ménagers [21].

Dans les eBFCs, les deux catalyseurs sont des enzymes. Par comparaison au système microbien, le système de catalyse enzymatique utilise des protéines isolées et purifiées pour effectuer la catalyse d’une réaction spécifique [5]. Le second avantage des eBFCs réside dans leurs performances catalytiques à basse température et dans des conditions proches de celles physiologiques. Mais les faibles densités de puissance et la stabilité/durabilité dans le temps qui sont liées aux problèmes d’immobilisation des enzymes apportent un frein au développement de ces sources d’énergie. L’idée de substituer un matériau à l’un des catalyseurs est donc apparue.

L’hybridation d’une eBFC par remplacement d’un catalyseur enzymatique par un abiotique (électrode métallique ou carbonée) va donner naissance au terme de biopile hybride (hBFC). Comme le rapportent Kerzenmacher et al. [10], les PAC à glucose avec un catalyseur abiotique sont apparues pour la première fois dans une publication de Bockris, qui a étudié l’oxydation anodique de cellulose et de petits glucides pour une applicabilité dans les PAC. C’est

18

en 1967 que la première hBFC (implants médicaux) destinée à fonctionner avec du glucose à partir de fluides corporels a été présentée par Warner et Robinson [22]. Il a fallu attendre 2007‒2012 pour voir les premiers travaux avec des nanomatériaux qui ont la spécificité d’augmenter très fortement les surfaces actives des électrodes [8,23-25].

Certains auteurs ont mis en évidence l’incompatibilité de certains micro-organismes ou espèces impliqués dans la conception d’électrodes enzymatiques avec des organismes vivants [10,26]. Cela empêcherait l’utilisation potentielle des BFCs pour alimenter des dispositifs médicaux implantés dans l’organisme humain, comme stimulateur cardiaque ou capteur sous-cutané mesurant le taux de glucose chez les patients diabétiques, puisque la perte de ces espèces en solution, en condition de fonctionnement à long-terme, est un phénomène récurrent. Cela a conduit à l’idée de remplacer les deux catalyseurs par des matériaux abiotiques, pour donner naissance aux aBFCs [18,26,27]. Cette thèse s’est plus particulièrement intéressée aux systèmes hBFCs et aBFCs.

I.1.3.1. La pile glucose/O

La biopile utilisant le glucose (Glucose BioFuel Cell : GBFC) est l’un des premiers prototypes à avoir été conçu. Comme toute PAC, la production d’énergie se fait au moyen des réactions redox (Figure 1a). La molécule de glucose de formule topologique C6H12O6 en

subissant une oxydation totale en dioxyde de carbone (CO2) met en jeu 24 électrons suivant la

demi-équation électronique (Eq. 1).

C6H12O6 + 6H2O ֖ 6CO2 + 24H+ + 24e‒ (Eq. 1)

Cependant, plusieurs études ont montré que le rendement faradique maximum (24 e–) n’est jamais atteint [10,27-29]. En effet, si c’était le cas, des produits intermédiaires en Cn (n = 1,

2, 3, 4, 5) auraient été détectés par les études spectroscopiques [28-31]. Celles-ci mettent en évidence la formation de l’acide gluconique (2e– libérés) à l’anode suivant la réaction (Eq. 2).

C6H12O6 + H2O ֖ C6H12O7 + 2H+ + 2e‒ (Eq. 2)

A la cathode, la réaction de réduction du dioxygène (ORR) bien que passant parfois par l’intermédiaire H2O2 (peroxyde d’hydrogène) nécessite 4e– par mole de dioxygène (Eq. 3).

19

Ainsi, à la pile en fonctionnement correspond la réaction globale ci-dessous (Eq. 4) :

7 12 6 2 6 12 6 O C H O énergie 2 1 O H C + ® + (Eq. 4)

À une température T sous une pression P, le système à l’équilibre (pour un avancement x) est caractérisé par la variation d’enthalpie libre de la réaction (mettant en jeu n électrons) qui s’écrit de deux manières (Eq. 5)) et (Eq. 6) [32-34].

) , , ( ) , , ( ) , , ( ) , , (T Px G_{6 12 7} T Px G _{6 12 6} T Px G ₂ T Px G f CH O f CH O f O r =D -D -D D (Eq. 5) 0 ) , , ( + = D_rGT Px nFE_eq (Eq. 6)

F est la constante de Faraday (96485 C·mol-1_{) et E}

eqla force électromotrice de la pile (équilibre).

Figure 1. a) Schéma général d’une BFC ; b) et c) Performances simulées d’une biopile optimisée glucose/air : 2 mM glucose ; 37 °C ; pH 7,4 ; 0,15 M NaCl ; air ambiant.

Dans les conditions standards (1 bar, ai = 1 et à Tfixe = 298,15 K) et en première

approximation, la réaction électrochimique (Eq. 4) est exergonique avec DrG0 = -251 kJ·mol-1

[10]. De (Eq. 6), la force électromotrice à l’équilibre (E0_{) est de 1,30 V : c’est la tension de}

20

l’Annexe A2, DrG0 = -211 kJ·mol-1 à 25 °C ; soit E0 = 1,09 V. L’expression générale de la

f.é.m. est donnée par (Eq. 7).

[ ]

[

]

Par ailleurs, lorsque la pile débite un courant d’intensité I, il y a une déviation de la tension E(I) par rapport à la valeur à l’équilibre Eeq, due aux pertes ohmiques et aux surtensions (Eq. 8).

(

)

(

)

{

}

eq η η R I η η

E

E(I)= - + + ´ + + (Eq. 8)

Rohm la résistance ohmique (dépend de l’électrolyte) et h la surtension. hactivation dépend de la

nature du matériau catalytique alors que _hconcentration_{est liée au transport de matière et à la} structure de l’électrode.

La Figure 1b (mesure des potentiels d’électrode) et la Figure 1c (la tension de la pile et la puissance de sortie) présentent les performances électriques d’une pile (j est la densité de courant). L’effet « cross-over » dû aux phénomènes de transferts aux interfaces, la chute ohmique (due à l’électrolyte), les surtensions d’activation (aux électrodes), les surtensions de concentration (transport de matière) et le gradient de pH entre l’anode et la cathode sont autant de phénomènes qui font baisser les performances d’une PAC (Figure 1b : la différence entre Epile théorique (couleur violette) et Epile expérimentale (couleur bleue) [35,36]. La déviation

devient importante à haute densité de courant. Cela a conduit à concevoir des GBFCs sans membrane (i.e. les enzymes et les médiateurs sont immobilisés directement sur leurs électrodes respectives) comme dans les biopiles classiques. Néanmoins et suivant la conception, l’anode et la cathode sont séparés pour éviter les court-circuits et les interférences avec les réactions parasites dues au passage d’un réactif d’une électrode à l’autre. Il faut signaler que la température a un effet sur les performances de la pile. Alors qu’une élévation de la température augmente la cinétique des réactions aux électrodes (j élevée), elle abaisse de façon significative la tension de cellule d’une PAC. Mais globalement, la puissance est améliorée puisque dans l’expression, P = Ecell×j, la perte en Ecell est largement compensée par l’augmentation de j.

Avant d’examiner les performances des différentes BFCs, rappelons les différents types d’enzymes. Comme il a été mentionné plus haut, une enzyme est une protéine qui présente une spécificité liée au substrat et à son action (réaction). D’après l’Union Internationale de Biochimie et de Biologie Moléculaire [37], toutes les enzymes actuellement connues sont répertoriées sous

21

un numéro portant 4 nombres séparés par des points et précédés de EC (Enzyme Commission : commission des enzymes), soit EC X1.X2.X3.X4. La signification des nombres est la suivante :

v X1 : Le 1er nombre pouvant varier de 1 à 6 indique le type de réactions

ü 1 : Oxydoréductases (elles catalysent le transfert d’électrons, celui d’atomes d’hydrogène et de la fixation d’oxygène),

ü 2 : Transférases (transfert d’atomes ou de groupes d’atomes autres que ceux de 1), ü 3 : Hydrolases (coupure des liaisons avec fixation de radicaux H et OH issus de

l’eau),

ü 4 : Lyases (coupure des liaisons par d’autres modes autres que l’hydrolyse), ü 5 : Isomérases (réaction conservant la formule brute du composé),

ü 6 : Ligases (formation des liaisons entre carbone et un autre métalloïde en utilisant l’énergie de l’ATP) ;

v X2 : Le 2e désigne la sous-classe de l’enzyme qui est définie suivant son mécanisme

d’action. Dans le cas des oxydoréductases, on distingue les déshydrogénases, les monooxygénases et les dioxygénases ;

v X3 : Le 3e nombre désigne la nature de la molécule qui sert d’accepteur, lorsqu’il s’agit

d’un transfert d’électrons ;

v X4 : Le 4e nombre est un numéro d’ordre dans le groupe et dans le sous-groupe. Une

terminaison par 99, signifie que l’enzyme n’est pas complètement caractérisée.

Pour l’oxydation enzymatique du glucose, deux enzymes sont généralement utilisées : la glucose oxydase (GOx ou GOD) ou la glucose déshydrogénase (GDH). Pour l’ORR, il s’agit

fréquemment de la bilirubine oxydase (BOD) ou de la laccase (Lacc). Des médiateurs redox sont généralement employés pour faciliter les transferts électroniques : l’acide 2,2’-azino-bis(3-éthylbenzothiazoline-6-sulfonique (ABTS) et l’acide 8-hydroxyquinoline-5-sulfonique (HQS).

Le Tableau 2 résume les meilleurs résultats en termes de performances, recensés dans le développement des biopiles. L’un des premiers prototypes a été construit par des chercheurs israéliens en 1999 [38]. À l’anode, le glucose est oxydé par la GOx immobilisée sur une

électrode d’or au moyen de la pyrroloquinoline quinone (PQQ) en utilisant le système redox FAD (Flavine adénine dinucleotide) comme médiateur. L’ORR se fait au moyen du couple Cyt.

c/Cox (cytochrome c/cytochrome oxydase) immobilisée sur une électrode d’or. La GBFC ainsi

construite délivre une puissance maximum de 4 µW pour une concentration en glucose de 1 mM à pH 7,0 soit ca. 5 µW·cm-2 à 0,05 V et 80 µA·cm-2. Les auteurs ne remarquent aucune perte significative de performance de la GBFC lorsqu’ils la font fonctionner en continu pendant 48 h.

22

Tableau 2. Tableau comparatif des performances de quelques biopiles sans membrane.

Année Anode (composition) Memb rane Cathode (composition) pH [Glucose] & Température Ecell/V P/µW·cm-2 & référence 2002 GOx/Polymère I-Os(+II/+III) non BOD/Polymère II-Os(+I/+II) 7,2 15 mM ; 37 °C 0,52 430 [39] 2003 GOOs(+II/+III) x/ Polymère I-/PEGDGE non Laccase/Polymère II-Os(+II/+III) /PEGDGE 5,0 15 mM ; 37 °C 0,78 268 [40] 2007 GOx/HQS non Laccase/ABTS 5,0 _7,0 10 mM ; 37 °C 0,25 _0,20 27 [41] _{19,6 [41]} 2009 40 wt.% Au70Pt30/C non BOD/ABTS/ Nafion® 7,4 10 mM ; 37 °C 0,40 90 [8] (CN) GOx/Fe 3 6 - _{non Laccase/ABTS 7,0 10 mM ; 23 °C 0,30 110 [42]}

GDH/NADH-NAD+/VK3/CF non GOD/Fe(CN)

3 6 -_{/CF 7,0} 400 mM ; 25 °C 0,30 1450 ± 240 [43] 2010 GOx/ Polymère redox /CNF non BOD/ Polymère Redox/ PEGDGE /CNF 7,2 15 mM ; 37 °C 0,57 740 [7] /CF /CF 0,45 180 [7] 2011 GOx/MWCNT+

Catalase non Laccase/ MWCNT 7

5 mM ; 20 °C _0,57 1000 [6]

50 mM ; 20 °C 1250 [6]

2013 GOx/CNT+_Catalase non Laccase/ MWCNT Cavité abdominale d’un rat 193,5 [44]

La révolution dans la conception des BFCs fut marquée lorsque des chercheurs de l’Université du Texas à Austin présentèrent une communication dans la revue américaine

Journal of the American Chemical Society (JACS) en 2002 [39]. En effet, les travaux dirigés par

le Pr A. Heller ont permis de réaliser une BFC de 430 µW·cm-2 (à 0,52 V) dans des conditions quasi-physiologiques pH 7,2 (0,14 mM NaCl ; 20 mM PBS (tampon phosphate) ; 37 °C) en présence de 10 mM de glucose. Les auteurs décrivent une BFC au sein de laquelle l’oxydation du glucose à l’anode se fait au moyen de la GOx immobilisée sur des fibres de carbone (CFs)

grâce à un complexe redox d’osmium de potentiel redox -0,19 V vs. Ag/AgCl (soit +0,01 V vs. ESH), le PVI-[Os(N,N’-dialkylé-2,2’-biimidazole)nCl]2+/3+, (n = 3 ou 4), PVI étant le

Poly(N-vinylimidazole). À la cathode, l’ORR a été réalisée avec la BOD immobilisée sur les CFs via un copolymère cationique redox : le PVI-[Os-2,2’-dichloro-2,2’-bipyridine)2Cl]+/2+ de potentiel

redox +0,36 V vs. Ag/AgCl (soit +0,56 V vs. ESH). Les densités de courant enregistrées sur des paliers de diffusion sont de 1000 µA·cm-2 _{(à 0,73 V vs. ERH) à l’anode et 950 µA·cm}-2 _{(à 0,98}

V vs. ERH) à la cathode (électrodes : 7 µm×2 µm ; 0,44 mm2). Après une semaine de fonctionnement, la BFC est toujours opérationnelle avec une perte de la puissance initiale (1,9 µW) estimée à 6 %. L’activité d’une enzyme dépend énormément des conditions expérimentales (cofacteur, pH, température, ions…). Ainsi, il est connu que la Laccase exhibe une meilleure activité en milieu acide (pH < 7) alors que la BOD est plus active en milieu neutre (pH » 7).

23

En 2003, Mano et al. [40] ont étudié l’influence du médiateur sur les performances d’une BFC construite à partir de la GOx-Polymère I/PEDGE comme anode et de la Lacc-Polymère II/PEGDGE. Le Polymère I est le PVI-[Os(4,4’-diméthyle-2,2’-bipyridine)2Cl]+/2+ ou

PAA-PVI-[Os(N,N’-dialkylé-2,2’-biimidazole)3Cl]2+/3+ et le polymère II est le

PVI-[Os-2,2’,6’,2’’-terpyridine-4,4’-diméthyle-2,2A-bipyridine)2Cl]2+/3+ ; PAA représente le Polyacrylamide et

PEDGE, le Poly(éthylène glycol) diglycidyl éther. À pH 5 (20 mM citrate ; 37 °C) et en présence de 10 mM de glucose, la BFC délivre une densité de puissance maximale de 280 µW·cm-2 à 0,8 V en l’absence du PAA à l’anode. En présence de PAA, le pic de densité de puissance n’est que de 137 µW·cm-2 à 0,4 V, puissance qui s’annule à 0,7 V. Donc, l’addition de groupement PAA a fait baisser les performances de moitié. Ces résultats peuvent s’expliquer par une limitation due aux transferts électroniques. Plus la chaîne est longue et complexe, plus la surtension sera importante. Par ailleurs, les ions halogénures semblent exercer un effet inhibiteur sur l’activité des enzymes [45]. Néanmoins, les études réalisées par Kim et col. [46] en 2003 montrent une faible variation de la densité de puissance en fonction de la concentration en ions chlorure. Par contre, les auteurs remarquent une forte dépendance avec la température. Un facteur de douze est obtenu en passant de 23 à 37,5 °C ; cela a été attribué à la forte énergie d’activation du glucose. La biopile la plus stable a été construite par Kerzenmacher et al. [27] en 2008, délivrant 3,3 ± 0,2 µW·cm-2 après 10 j de fonctionnement pour atteindre 1,0 ± 0,05 µW·cm-2 au bout de 224 j.

Par ailleurs, les travaux dirigés dans notre équipe de recherche et à l’Institut Européen des Membranes de Montpellier (IEM) ont permis en 2007 une avancée majeure dans la compréhension et l’optimisation des conditions expérimentales [41]. En effet, il a été élaboré une BFC (Schéma 1a) par adsorption des enzymes et des médiateurs dans un film de polypyrrole (one pot method). À partir des conditions expérimentales consignées dans le Tableau 2, il a été remarqué que la densité de puissance maximum passait de 27 µW·cm-2 _{(à 0,25 V) à 19,6}

µW·cm-2 _{(à 0,20 V) lorsque le pH passe de 5,0 à 7,0. Il a été donc conclu que cette baisse était}

due à l’activité de la Laccase, laquelle combinée avec l’ABTS présenterait un optimum d’activité à pH 3,0 [47]. D’autre part, ces travaux ont montré que la nature du processus d’alimentation en O2 avait un impact sur les performances de la BFC. En effet, la BFC développera une puissance

maximum de 18 µW·cm-2 si on fait circuler O2 par diffusion au moyen d’un tube de carbone

poreux (Schéma 1a), alors qu’elle passe à 9 µW·cm-2 dès que l’apport en O2 se fait par un

bullage direct. Cette dernière configuration favorise la réaction parasite entre l’oxygène et le glucose catalysée par la GOx et qui conduit à la formation de peroxyde d’hydrogène, fort

inhibiteur des enzymes. Toutefois le souci majeur de ce prototype reste sa miniaturisation (électrode de 3,15 cm2).

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Schéma 1. Prototypes de BFC : a) 2007 par Brunel et al. [41] ; b) 2008 par Habrioux et al. [48].

Il a fallu attendre 2007 pour que Habrioux et al. [23] présentent le premier prototype de hGBFC avec une anode abiotique faite de nanoparticules métalliques. À l’anode, Au80Pt20/C (5

nm) catalyse l’oxydation du glucose alors qu’à la cathode l’ORR se fait avec la Laccase en utilisant l’ABTS pour faciliter le transfert électronique entre l’enzyme et le substrat. La densité de puissance maximale était de 16 µW·cm-2 à pH 5,0 (37 °C ; 100 mM glucose) pour une tension de pile de 0,16 V et une densité de courant de 100 µA·cm-2. La tension de cellule en circuit ouvert (OCV : open circuit voltage) est de 0,3 V. La valeur de l’OCV relativement faible a été attribuée à la perte d’activité à la cathode, comme dans les travaux présentés par Brunel et al. [41]. Dans une étude comparative réalisée en 2009 avec différentes compositions de catalyseur anodique : AuxPty/C (x et y, les pourcentages atomiques en Au et Pt, respectivement), le

catalyseur de composition Au70Pt30/C a permis d’obtenir 90 µW·cm-2 (à 0,40 V) à pH 7,4 (37

°C ; 0,2 M PBS ; 10 mM glucose) [8]. Ils ont montré que la composition du matériau bimétallique avait un effet sur l’activité catalytique lors de l’électrooxydation du glucose. L’effet de la concentration du glucose sur la densité de puissance délivrée par la pile a aussi été mis en évidence. La densité de puissance de la biopile ainsi réalisée passe de 170 µW·cm-2 (à 0,48 V) pour 0,3 M à 190 µW·cm-2 (à 0,52 V) pour 0,7 M. Les auteurs expliquent la faible variation de la performance électrique (facteur de 1,12 en puissance contre un facteur de 2,33 en glucose) par une saturation de l’anode en glucose et/ou la limitation diffusionnelle due à la cathode enzymatique. A titre de comparaison, une BFC (anode : GOx/HQS ; cathode : Lacc/ABTS),

illustrée par le Schéma 1b délivrait 42 µW·cm-2 à 0,30 V [48]. Cet article a aussi montré l’effet de l’épaisseur du film du polymère en polypyrrole pour l’immobilisation des enzymes.

En 2010, Gao et col. [7] en remplaçant les fibres de carbone (CFs) par des nanotubes de carbone (CNTs) dans la conception des électrodes des GBFCs, permirent une avancée majeure

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vers la miniaturisation tout en améliorant les performances (électrode de 0,0044 mm2). En effet, ils ont constaté que dans les mêmes conditions (pH 7,2 ; 37 °C ; 20 mM PBS ; 0,14 mM NaCl ; 5 mV·s-1 ; W = 0 rpm ; sous air), l’ORR avec la BOD débute à un potentiel plus élevé sur CNTs (DE = 30 mV). Mieux encore, la densité de courant associée à l’ORR au palier de diffusion passe de 380 µA·cm-2 _{pour les CFs à 1570 µA·cm}-2 _{pour les CNTs à 0,92 V vs. ERH. Une étude}

chronoampérométrique réalisée à 0,92 V vs. ERH révèle qu’avec les CNTs, la perte d’activité est seulement de 20 % alors qu’elle est de 85 % avec les CFs. Cette amélioration d’activité est due à la plus grande porosité des CNTs permettant une meilleure diffusion de O2. Cette différence sera

confirmée au cours des tests en GBFC. En effet, dans les conditions précédentes et en présence de 15 mM glucose, les CNTs offrent Pmax = 740 µW·cm-2 à 0,57 V contre 180 µW·cm-2 à 0,45 V

pour les CFs. La valeur Pmax = 740 µW·cm-2 passait être la plus performante de l’histoire des

GBFC, à en croire le titre de l’article dans le prestigieux journal Nature Communications. En tenant compte de la surface géométrique (0,0044 mm2), les CNTs permettent d’obtenir en réalité Pmax = 0,033 µW pour I = 0,058 µA. Ce sont donc des puissances et des courants nanométriques

qui sont plus de 100 fois plus faibles que ce qui est exigé pour faire fonctionner les appareils implantés.

Schéma 2. Représentation schématique de la GBFC construite en 2011 par Zebda et al. [6].

En 2011, le groupe de S. Cosnier de Grenoble en France a franchi le seuil des 1000 µW·cm-2 pour des concentrations en glucose en deçà de 50 mM, résultats présentés dans le prestigieux journal Nature Communications [6]. Rappelons néanmoins que Sakai et al. [43] avaient élaboré en 2009 une GBFC qui délivrait 1450 ± 240 µW·cm-2 pour 400 mM de glucose à pH 7,0 et à 25 °C. La GBFC proposée par l’équipe de Cosnier (voir Schéma 2) est composée