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BACTRICITE

PHC : Utique
Codes du projet : 15G1135 -- Campus N° 32858QE
Domaine : Biologie, médecine, santé
Intitulé : BACTRICITE
Porteur(s) : VOGEL Timothy, KHIROUNI Kamel
Date de début : 01/01/2015
Date de fin : 31/12/2017

La technologie des Piles à Combustible Microbiennes « PACM » s’inscrit dans la dynamique d’augmenter l’utilisation des sources propres et renouvelables d’énergie, fortement stimulée par le contexte énergétique mondial actuel. L’atout majeur de cette technologie est sa capacité de produire de l’électricité en dégradant des déchets organiques sans aucun rejet polluant ou toxique.
Toutefois, les performances électriques des PACM sont encore limitées aujourd’hui pour une introduction dans le marché des énergies renouvelables. En effet, les performances théoriques attendues de la technologie PACM sont bien au-dessus de ses performances réelles à cause de nombreuses pertes énergétiques intervenant dans les configurations actuelles des PACM, notamment les surtensions d’électrode et les pertes ohmiques. En effet, la cinétique des transferts de charges aux interfaces entre le milieu et les électrodes conduit à des surtensions et diminue de manière significative l’intensité de courant produite. Cette cinétique de transfert dépend essentiellement des propriétés catalytiques des biofilms et de la nature des matériaux d’électrodes.
La modification des surfaces d’électrodes est utilisée pour améliorer les transferts électroniques aux interfaces et diminuer ainsi les pertes de surtension. Par exemple, Lowy et coll. ont réussi à améliorer les performances catalytiques du graphite utilisé comme anode dans des PACM en modifiant leurs surfaces par l’adsorption de différents médiateurs redox (l'anthraquinone -1 , l'acide 6 -disulfonique, la 1,4-naphtoquinone). Ils ont observé les mêmes améliorations en utilisant des composites de graphite - céramique contenant du Mn (II) et Ni(II). Ces anodes présentaient 1,5 à 2,2 fois plus d’activité cinétique en comparaison au graphite brut [1]. Fu et coll., ont également montré que l’oxydation chimique du graphite ou sa modification en surface avec de la polyaniline dopée permettaient d’améliorer le caractère hydrophile et la biocompatibilité des surfaces de graphite, ainsi que
d'augmenter la puissance des PACM en les utilisant comme anodes [ 2 ]. Lovely et coll. ont montré que Fe (III) peut agir comme accepteurs d’électrons dans le métabolisme des micro-organismes [3]. Parc et Zeikus ont par ailleurs montré que des surfaces d’anodes modifiées avec des oxydes ferrifère raccourci le temps de formation des biofilms dans les PACM [4]. Kim et coll. Ont utilisé des anodes revêtues avec de l'oxyde ferrique pour augmenter la puissance des PACM [5]. Dans d’autres exemples de PACM, la réaction cathodique est le facteur limitant de la puissance électrique obtenue. Dans les PACM classiques, la réduction de l'oxygène à la cathode s'appuie sur l’utilisation de catalyseurs à base de métaux nobles tels que le platine. Ces catalyseurs sont de plus en plus restrictifs à l’utilisation commerciale des PACM à cause de leur coût (6). Des catalyseurs biologiques peuvent offrir une solution à cette limitation cathodique pour assurer la réduction de l'oxygène dans des conditions compatibles avec celles de l'activité microbienne (7, 8). Cette solution est beaucoup plus intéressante que l’utilisation des métaux nobles, toutefois, elle est moins performante et nécessite une amélioration par l’utilisation de médiateurs redox (9-11). Toutes ces méthodes de fonctionnalisation d’anodes et de cathodes pour améliorer les transferts électroniques entre biofilms et électrodes ont montré la possibilité d’améliorer les performances électriques des PACM. Cependant, ces couches de modifications soufrent d’instabilité souvent due à la dégradation ou au décollement des surfaces pendant le fonctionnement à long terme. Ceci ne permet pas d’envisager leur application dans des systèmes commerciaux de PACM où la stabilité des propriétés d’électrodes à long terme est indispensable. Parmi les méthodes d’élaboration de dépôts fonctionnels, le procédé sol-gel est connu depuis longtemps pour la grande pureté et l’homogénéité des matériaux qu’il permet d’obtenir. Ce procédé autorise également une mise en forme très diversifiée de ces matériaux. En effet, a partir d'une même solution et en fonction du mode de séchage du gel, le matériau final obtenu prend des formes très variées : matériaux massifs, poudres, aérogels, fibres, composites, gels poreux et films ou couches minces (12). Ce procédé permet également l'élaboration de couches minces à propriétés mécanique, électrique ou électronique stables (13). Un intérêt commence à être porté à ce type de matériaux dans des applications aux PACM (14, 15) mais très peu de travaux existent sur le sujet.

Objectifs

Le projet BACTRECITE vise à étudier les performances de bioanodes et de biocathodes fonctionnalisées selon le procédé sol gel avec des couches minces de métaux de transition (Fe, Ni, Mn…) ou de composites organiques et inorganiques. La formation des biofilms et leurs propriétés catalytiques et leur stabilité dans le temps seront ainsi analysées en fonction de la nature des dépôts et de leurs propriétés physicochimiques (rugosité, porosité, hydrophobicité, …). Un lien entre propriétés catalytiques des bioélectrodes et fonctions de surfaces d’électrode pourra être établi afin d’optimiser les performances des PACM.

Résultats

Recherche :

Première année:

Côté Tunisie : Synthèse et caractérisation des couches minces de médiateurs redox à base d’oxydants pour l’application bioanode.

Côté France : Etude de la formation des biofilms sur les surfaces modifiées et l’analyse de leurs propriétés catalytiques à oxyder différentes molécules organiques (acétate, glucose, cellulose…)

Deuxième année:

Côté Tunisie : Synthèse et caractérisation des couches minces de médiateurs redox à base de réducteurs pour l’application biocathode.

Côté France : Etude de la formation des biofilms sur les surfaces modifiées et l’analyse de leurs propriétés catalytiques à réduire l’oxygène.

Troisième année:

Côté Tunisie : Evaluation des performances des biocathodes et bioanodes optimisées dans une configuration de PACM.

Côté France : Caractérisation microscopique et microbiologiques des biofilms formés sur les électrodes modifiées dans les configurations PACM.

Formation :
Durant ces trois années de projet, un thésard du côté tunisien bénéficiera d’une cotutelle avec le partenaire français. Cette cotutelle permettra au thésard de se former sur différentes méthodes de caractérisations électrochimiques et microbiologiques ainsi que la mise en place de PACM. Par ailleurs, des conférences seront également organisées du côté tunisien et du côté français à l’occasion de la visite des chercheurs séniors.

Valorisation et Transfert Technologique :
Un savoir-faire dans l’élaboration des Piles à combustible Microbiennes et leur caractérisation sera transmis du partenaire français au partenaire tunisien. Des compétences en synthèse de couches minces par des procédés sol gel pourraient également être transférées du partenaire tunisien au partenaire français.
Le projet actuel a un grand potentiel sur plusieurs points de vue, à savoir, scientifique, technologique et commerciale. Par conséquent, les résultats obtenus devraient être valorisés et protégés efficacement. Tout d'abord, les résultats seront valorisées au moyen de communications scientifiques dans des revues à comité de lecture et national / international. Cependant, notre stratégie sera différente si les résultats obtenus présentent des potentialités de commercialisation ou d’industrialisation. Dans ce cas, les résultats seront protégés à l'aide de brevets pertinents.

Informations supplémentaires

CNRS

Partenaire français
Ecully

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
UMR 5005, Laboratoire Ampère


Responsable(s)
Timothy VOGEL - Ampère - Ecully - Tél :0472186514 - Email :timothy.vogel@ec-lyon.fr

Faculté des Sciences de Gabès

Partenaire tunisien
Gabès
http://www.fsg.rnu.tn

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
Physique des matériaux et des Nanomatériaux appliqués à l'Environnement (LaPhyMNE)


Responsable(s)
Kamel KHIROUNI - LaPhyMNE - Gabès - Tél :0021698951534 - Email :kamel.khirouni@fsg.rnu.tn