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Améliorer les performances des biopiles

Nadia Timizar

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Une biopile insérée dans une plante vivante

Elle se nourrit de glucose et d'oxygène pour produire de l'électricité. Tout comme le font les plantes vertes pour pousser. La photosynthèse est le processus par lequel les plantes convertissent l'énergie solaire en énergie chimique. En présence de lumière visible, le dioxyde de carbone et l'eau sont transformés en glucose et en dioxygène dans une série de réactions chimiques. La même équipe de chercheurs du CRPP a mis au point une biopile qui fonctionne à partir des produits de la photosynthèse. La pile est composée de deux électrodes modifiées avec des enzymes. Ces électrodes, une fois implantées dans le cactus, permettent aux chercheurs de suivre l'évolution de la photosynthèse in vivo en temps réel. La biopile a ainsi pu générer une puissance de 9ŒW par cm2. Le rendement est proportionnel à l'intensité de l'éclairage : une illumination plus intense accélère la production de glucose et d'O2, il y a donc plus de combustible pour faire fonctionner la biopile. Par ces expériences, les chercheurs ont aussi pu observer pour la première fois l'évolution du glucose en temps réel lors de la photosynthèse. Cette méthode pourrait offrir de nouvelles pistes dans la compréhension des mécanismes de ce processus biologique.

Améliorer les performances des biopiles

Fibre de nanotubes de carbone dans une solution aqueuse juste après sa formation. En introduisant des fibres de nanotubes de carbone dans les électrodes, les chercheurs du CNRS ont considérablement amélioré la performance de leur système électrochimique.

© CNRS Photothèque / Vrignaud François

En introduisant des fibres de nanotubes de carbone dans les électrodes, une équipe de chercheurs du CNRS est parvenue à produire jusqu'à 15 fois plus d'électricité que d'ordinaire avec un système électrochimique.

Les recherches d'alternatives énergétiques se poursuivent tous azimuts. Côté biopiles, les innovations se multiplient dans le but d'améliorer les échanges électrochimiques et celui de mimer des mécanismes naturels, comme la photosynthèse. Les chercheurs du Centre de recherche Paul Pascal du CNRS (CRPP) contribuent particulièrement à ces recherches. Ces dernières semaines, ils ont produit deux publications. En février, l'équipe décrivait dans la revue Analytical Chemistry une biopile capable de produire de l'électricité à partir de la photosynthèse d'un cactus (voir encadré). Ce mois d'avril, ils publient un autre article dans la revue Nature Communications, décrivant la biopile la plus puissante jamais réalisée. C'est notamment tout un travail d'améliorations des électrodes qui a abouti à la mise au point d'une biopile produisant 740 ŒW/cm², contre 1ŒW/cm² à 50 ŒW/cm², obtenus jusqu'à présent. Le CNRS souligne l'intérêt de cette avancée dans la perspective d'intégration de biopiles à des dispositifs notamment thérapeutiques, comme des capteurs bioélectrochimiques ou des biopiles pour l'alimentation de capteurs médicaux ou d'appareils électriques portables (communication, électronique).

Améliorer les performances des dispositifs électrochimiques revient à travailler sur quatre points : augmenter la surface spécifique de l'électrode et la densité de courant limite, améliorer les transferts électroniques entre l'enzyme et l'électrode, et aboutir à une meilleure stabilité du système. Les marges de manœuvre des chercheurs se situent au niveau des électrodes avec la recherche des matériaux les plus adaptés et les plus performants. Pour multiplier les probabilités d'échanges entre le milieu électrochimique et l'électrode, sa surface spécifique d'échange doit être très importante. Alors que le transport de matière dans l'électrode, lui, doit être le plus faible possible. Ce problème est d'ailleurs contourné en utilisant des électrodes de petite dimension appelées micro-électrodes. En revanche, cela n'arrange pas les échanges électrochimiques. Donc, pour augmenter la surface spécifique de l'électrode, le défi est de la rendre la plus poreuse possible. En conjuguant leurs recherches, l'équipe Biopiles et l'équipe Nanotubes du CRPP ont conçu de nouvelles microélectrodes à base de fibres de nanotubes de carbone de grande porosité. Les électrodes présentent une grande surface spécifique (plus de 300 m2/g), en dépit d'un diamètre de quelques microns. A partir de glucose et de dioxygène, la biopile génère un courant électrique d'une puissance inégalée de 740 µW. cm-2 à + 0.57V. Pour mettre en évidence les performances de cette biopile, les chercheurs ont comparé les électrodes à base de fibres de carbone à celle dotée d'électrodes à base de nanotubes de carbone. Les électrodes sont modifiées avec l'aide de bioélectro- catalyseurs (polymère + enzyme). Elles réduisent l'oxygène à une densité de courant de 1,5 mA. cm-2 sur une fibre de nanotubes de carbone alors le courant s'élève à seulement 0,3 mA. cm-2 en utilisant une fibre de carbone "classique". De plus, une fois modifiées, les fibres de nanotubes se sont montrées dix fois plus stables que des fibres de carbone.

 

 

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