Les enjeux autour du stockage et de la production d’énergie sont importants et des projets de recherche scientifique sont menés pour trouver des solutions qui soient plus économiques, ou encore, qui favorisent le recours à des matériaux plus abondants que ceux utilisés dans certains dispositifs.

Dans le cadre du projet ANR NANOFUELCELL, une équipe du Département de chimie moléculaire (DCM – CNRS / UGA) vise à développer une pile enzymatique à flux sans métaux nobles, permettant de générer un courant électrique. Son fonctionnement repose sur des réactions d’oxydo-réduction, sources d'énergie chimique convertie en électricité.

La pile enzymatique à flux est branchée à un potentiostat, un appareil permettant de mesure la tension au niveau des bornes de la pile. La charge de la pile est assurée par les réactions chimiques spontanées d’oxydo-réductions des enzymes en présence de leur substrat, et est suivie lorsque la pile ne débite pas de courant. Les enzymes, fixées aux électrodes, oxydent le glucose au niveau de l’anode (donneur d'électrons) et réduisent le dioxygène au niveau de la cathode (receveur d'électrons).

Des cycles de décharge sont également effectués pour étudier l’évolution du potentiel de la pile dans le temps.

Cette pile comprend constituée de deux compartiments distincts contenant chacun une solution avec des substances actives : l’anolyte (en jaune) composé de glucose du côté de l’anode, et le catholyte (en bleu) composé d'oxygène du côté de la cathode.

Ils sont séparés par une membrane de dialyse qui laisse passer les ions pour le transport du courant et confine les espèces chimiques utiles à l’activité de chaque électrode. Le transfert électronique indirect entre elles et les enzymes est favorisé par des médiateurs redox : PLQ est réduit par l’enzyme FAD-glucose en présence de glucose (précipité jaune) et ABTS est oxydé par l’enzyme bilirubine-oxydase en présence de dioxygène (précipité bleu).

La pile est également reliée à une pompe à flux (péristaltique) afin d’apporter régulièrement un substrat nécessaire à son fonctionnement. Ce substrat est constitué de glucose côté anode, et de dioxygène côté cathode, tous deux nécessaires pour entretenir les réactions d’oxydo-réduction qui permettent à la pile de produire de l'électricité. Lorsque les électrodes de la pile sont connectées à un circuit électrique extérieur, comme ici, la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique devient possible. L’énergie produite permet d'allumer une LED pendant un court instant.

Les enzymes sont immobilisées au niveau de l'électrode, constituée d'un collecteur de courant en carbone modifié par des nanotubes de carbone.

À la sortie de la pile, le courant électrique parvient à un condensateur, qui l’emmagasine. Une fois chargé, il alimente à son tour la LED et permet de l'allumer pendant un court instant.

Depuis les premières versions de piles enzymatiques, des améliorations ont pu être apportées et des prototypes d’électrodes ont été fabriqués dans l’optique de réduire la taille des piles enzymatiques à flux. Ils sont obtenus par la filtration sous vide d’une suspension de nanotubes de carbone, qui, une fois entrelacés, forment des feuilles minces ("buckypaper"). L’évolution et l’amélioration du design de ces prototypes d’électrodes permet une augmentation de la surface active de la pile, tout en gardant des dimensions géométriques similaires.

Ces travaux Une des finalités de ces projets serait d’utiliser cette pile dans des milieux micrométriques confinés, en médecine ou pour les biocarburants.

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Découvrez le reportage photos complet « Développement d’une pile enzymatique à flux sans métaux nobles » sur la médiathèque du CNRS.

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Crédit photos : © Christian MOREL / DCM / CNRS Images

Texte : Fabien Giroud / DCM ; Serge Cosnier / DCM ; CNRS Alpes

Ces recherches ont été financées en tout ou partie par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR NANOFUELCELL AAPG2018. Ce reportage a été réalisé et financé dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique et Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2018-2019 (SAPS-CSTI-JCJC 18-19 et PRC AAPG 18-19).