Projet ANR-13-BIME-0003 – CAROUCELL : Nanostructuration des anode et cathode pour une biopile à combustible H2/O2
Programme : Bio-Matières et Energies (Bio-ME)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame LOJOU Elisabeth (Bioénergétique et Ingeniérie des protéines)
Partenaires : Bioénergétique et Ingénierie des Protéines; Centre de Recherche Paul Pascal; Département de Chimie Moléculaire; Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux; Structures et Propriétés d'Architectures Moléculaires
Montant : 798985.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Nanostructuration des bioélectrodes pour la production d’électricité soutenable par une biopile à combustible H2/O2CAROUCELL est un projet fondamental qui vise à évaluer les performances d'une biopile à combustible dans laquelle les transformations de H2 et O2 sont réalisées par des enzymes spécifiques ou des catalyseurs biomimétiques, et qui sera alimentée par de l'hydrogène issu de la biomasse.
Quels bioélectrodes pour une biopile verte H2/O2 performante ?Dans le cadre de la recherche de nouvelles sources d’énergie soutenables, les biopiles à combustible qui utilisent des enzymes comme biocatalyseurs sont une alternative aux piles à combustibles, considérées comme propres car ne rejetant que de l’eau mais nécessitant l’emploi de platine, métal rare, cher et facilement inhibé. Les biopiles actuellement développées utilisent le glucose et l’oxygène comme substrat et visent des applications implantables. L’utilisation de l’hydrogène doit permettre non seulement d’augmenter les puissances des biopiles mais aussi d’en élargir le domaine d’applications. C’est l’enjeu de CAROUCELL dont les objectifs sont : i) identifier de nouvelles enzymes stables possédant une forte affinité pour H2 ou O2, et transformant ces substrats avec une faible surtension ; ii) augmenter les courants catalytiques en nanostructurant les électrodes ; iii) avancer dans la connaissance spatiotemporelle de l’activité enzymatique sur électrodes mésoporeuses; iv) comparer les efficacités de la catalyse enzymatique avec la catalyse obtenue avec des complexes biomimétiques permettant d’élargir encore la gamme d’utilisation de ces bioprocédés, v) évaluer les performances de la biopile en fonction de l’alimentation en gaz, en particulier l’hydrogène issu de la biomasse.
Optimisation de l’activité catalytique d’enzymes et catalyseurs biomimétiques sur électrodes nanostructuréesCAROUCELL combine plusieurs approches. Il s’agit dans un premier temps de produire les enzymes stables et efficaces de transformations de H2 et O2, puis de les comparer à des complexes biomimétiques également produits dans le cadre du projet. Dans un second temps, l’enjeu est de façonner les électrodes de manière à assurer la meilleure connection électrique des biocatalyseurs qui autorisera l’utilisation des biopiles pour alimenter des dispositifs portables ou stationnaires. Pour ce faire, CAROUCELL va s’attacher à étudier d’une part l’orientation fonctionnelle des biocatalyseurs par couplage entre des techniques d’électrochimie et de spectroscopies de surface, et d’autre part différents types de nanomatériaux (nanotubes de carbone, nanoparticules métalliques…) fonctionnalisés pour augmenter et le nombre de biomolécules connectées et leur efficacité et stabilité. Enfin une biopile sera développée propre à alimenter un dispositif réel, et dont l’alimentation en hydrogène sera assurée par fermentation de la biomasse.
Résumé de la soumission : Face à une crise énergique, climatique et économique, des mutations profondes dans notre manière de produire, convertir, et consommer l'énergie sont nécessaires. Les piles à combustible (PAC) constituent une alternative prometteuse. Cependant, la conversion de l'hydrogène et de l'oxygène impliquent des métaux nobles, comme le platine, dont la disponibilité limite le développement des PAC. En outre, des impuretés telles que le CO, fort inhibiteur du Pt, sont présentes dans H2 actuellement produit par reformage. H2 peut alternativement être produit à partir de la biomasse, mais là encore le CO sera un contaminant important. L’électrolyse de l'eau permet l’obtention de gaz pur, mais est très consommatrice en énergie. Quant à la partie cathodique de la PAC, les polluants atmosphériques sont susceptibles d’inhiber le Pt. La conception de PAC sans métal noble est donc fortement souhaitable. Une alternative efficace au Pt réside dans l’utilisation d’enzymes ou de catalyseurs bio-inspirés immobilisés afin de concevoir une BioPAC H2/O2. L’hydrogénase est une enzyme clé de la conversion de H2 au sein de nombreux micro-organismes. Biodisponible et biodégradable, cette enzyme oxyde H2 avec une faible surtension et de très fortes efficacités. Sa forte spécificité vis-à-vis de H2 autorise de plus l’utilisation de gaz non purifié. Cependant, la sensibilité de l'hydrogénase à O2 l’a longtemps empêchée d’être envisagée comme catalyseur de BioPAC. Néanmoins, au cours des deux dernières années, des hydrogénases naturellement tolérantes à O2 et au CO, ou génétiquement modifiées pour acquérir ces tolérances, ont été caractérisées. Certaines de ces hydrogénases fonctionnent dans une gamme étendue de températures, permettant une utilisation dans des environnements extrêmes. Des catalyseurs bio-inspirés immobilisés sur nanotubes de carbone ont été démontrés également capables de catalyser efficacement l’oxydation de H2, avec une tolérance remarquable au CO. Côté cathodique, des enzymes multi-cuivre, telles que la bilirubine oxydase (BOD), sont connues pour pouvoir réduire efficacement l'O2, avec néanmoins de faibles affinités pour l'oxygène et une faible résistance à la température. Deux prototypes de bioPAC H2/O2 ont ainsi été récemment conçus en laboratoire, basés sur des hydrogénases tolérantes à O2 et la BOD. L’une d’elles, développée par le partenaire 1 de ce projet, a reçu en 2012 le prix des Techniques Innovantes décernés par l’ADEME. Bien que fournissant des densités de puissance encore faibles, la preuve du concept existe qui doit maintenant être validée. CAROUCELL est ainsi un projet de recherche fondamentale qui vise à la conception et l’évaluation d’une BioPAC H2/O2 « verte » performante et totalement innovante, au sein de laquelle les transformations de H2 et O2 se feront via des enzymes ou des catalyseurs bio-inspirés, et qui sera alimentée par de l’hydrogène issu de la fermentation de la biomasse. Il vise i) à identifier de nouveaux couples redox enzymes ou catalyseurs bio-inspirés qui présentent une affinité élevée pour H2 et O2, et transforment les substrats avec de faibles surtensions et de fortes densités de courant, de manière à générer la plus forte densité de puissance, ii) à augmenter les densités de courant par une structuration d’électrode raisonnée, assurant une connexion électrique efficace des biocatalyseurs, iii) à démontrer l’intérêt des bioélectrodes ainsi nanostructurées dans des procédés PAC optimisés, et à évaluer les performances des BioPACs, à la fois sur le long terme, dans des conditions extrêmes de température et de présence d’inhibiteurs potentiels, mais aussi d’alimentation par de l’H2 issu de la fermentation de la biomasse. Pour la première fois, CAROUCELL réunit l'expertise de cinq laboratoires qui possèdent chacun des expertises différentes dans le domaine des biopiles, qui devrait permettre d’attester la crédibilité de ce type de bioprocédés, et de prendre le leadership dans la compétition internationale.
Résultats : A mi-parcours CAROUCELL a déjà permis des avancées notables crédibilisant les biopiles H2/O2. Des enzymes thermostables, très efficaces pour l’oxydation de H2 et la réduction de O2 ont été caractérisées. Ces enzymes fonctionnent sur une gamme de température allant de 30 à 85°C. Leur incorporation dans des réseaux de nanomatériaux carbonés ou métalliques a permis le développement de deux biopiles, dont l’alimentation en gaz diffère. Les densités de puissances atteignent 1 mW/cm2, ce qui en fait les bioprocédés les plus performants existant actuellement, avec de plus la possibilité de travailler à des températures où les enzymes classiques sont dénaturées. Des catalyseurs biomimétiques ont également été immobilisés sur le même type d’électrodes. Ils s’avèrent très performants aux pH acides que les enzymes ne supportent pas. Côté plus fondamental, CAROUCELL a mis en place de nouvelles techniques de mesure permettant d’une part d’avoir la connaissance spatio temporelle de l’activité enzymatique, et d’autre part de relier la quantité de biocatalyseur immobilisé à son activité enzymatique. L’étude d’inhibiteurs a révélé un effet non attendu des chlorures qui aura des conséquences directes sur le fonctionnement des biopiles.
Perspectives : CAROUCELL se poursuit à partir des résultats déjà obtenus. Il s’agit en particulier de consolider les performances des biopiles en termes de puissance mais aussi de stabilité sur le long terme. De nouveaux matériaux sont à l’étude, mais aussi des enzymes modifiées qui permettront d’augmenter l’efficacité de la connexion électrique. L’étude plus fondamentale de contrôle de l’enzyme immobilisée devrait permettre de connaitre les paramètres physico-chimiques sur lesquels il faut agir pour augmenter les performances de la biopile.
Publications et brevets : Quatre publications dans des journaux de rang A sont parues qui retracent les travaux effectés dans le cadre de CAROUCELL.
1- Electrochem. Com., 42 (2014) 72-74
A. de Poulpiquet, A. Ciaccafava, R. Gadiou, S. Gounel, M.T. Giudici-Orticoni, N. Mano, E. Lojou.. Design of a H2/O2 biofuel cell based on thermostable enzymes
Cette publication détaille la première biopile H2/O2 basée sur les deux enzymes thermostables caractérisées dan le cadre de CAROUCELL et permettant de lever la limitation en température des biopiles jusque là développées.
2- Chem. Com., 51 (2015) 7747-7450
N. Lalaoui, A. de Poulpiquet, R. Haddad, A. Le Goff*, M. Holzinger, S. Gounel, M. Mermoux, P. Infossi, N. Mano, E. Lojou, S. Cosnier. A membraneless air-breathing hydrogen biofuel cell based on direct wiring of thermostable enzymes on carbon nanotube electrodes
Cette publication montre qu’il est possible de connecter les bioélectrodes en apportant l’oxygène sous forme de gaz, levant la limitation de la solubilité de O2 et réduisant l’inactivation des enzymes d’oxydation de H2. 
3- Hydrogen bioelectrooxidation on gold nanoparticle-based electrodes odified by Aquifex aeolicus hydrogenase: application to hydrogen/oxygen enzymatic biofuel cells”, Bioelectrochemistry DOI: 10.1016/j.bioelechem.2015.04.010 (2015), K. Monsalve, M. Roger, C. Gutierrez-Sanchez, M. Ilbert, S. Nitsche, D. Byrne-Kojabachian, V Marchi, E. Lojou
Dans ce papier, les enzymes sont immobilisées sur des nanoparticules d’or qui jouent le rôle de fil conducteur tout en augmentant les surfaces développées.
4- A simple method for preparation of bio-inspired nickel bisdiphosphine hydrogen-evolving catalysts“ R. T. Jane, P. D. Tran, E. S. Andreiadis, J. Pécaut, V. Artero*, Comptes-Rendus Chimie, 2015, 18, 752–757
Ce papier est consacré aux catalyseurs biomimétiques.