Biopiles microfluidiques hybrides pour la conversion d’énergie. – Hybiocell

Aujourd'hui, la croissance explosive des appareils électroniques portatifs autonomes stimule le développement de nouvelles micro-sources d'énergie capable de fournir une faible puissance sur de longues périodes de temps. En particulier, les biopiles miniatures sont considérées comme une solution prometteuse pour l’alimentation d’équipements électroniques portatifs. Cependant, la miniaturisation des biopiles impose des challenges techniques significatifs basés sur les techniques de fabrication, le coût, la conception du dispositif, et la nature des matériaux utilisés. D’autre part, ces dispositifs doivent présenter des performances similaires aux biopiles conventionnelles en termes d’efficacité et de densité de puissance. Ce projet propose une approche novatrice basée sur des procédés de micro-fabrication pour développer une nouvelle génération de biopiles glucose/O2 microfluidiques capables de délivrer des densités de puissance > 1 mW/cm2. Dans ces systèmes, les électrodes et les fluides contenant le combustible et le comburant sont confinés dans un canal microfluidique, ce qui permet de faire circuler les flux de solution en parallèle (régime laminaire) sans mélange convectif. L’écoulement en régime laminaire présente également comme avantage de choisir la composition des solutions indépendamment afin d’optimiser l’activité catalytique et la stabilité de chaque électrode.
Bien que les enzymes présentent des sélectivités et des vitesses de réactions élevées vis-à-vis de la catalyse des substrats, la stabilité limitée des enzymes rend difficile leur exploitation à long terme. Un des éléments clé dans le design des biopiles est la nature des matériaux qui influe à la fois sur la connexion enzymatique et sur la catalyse des réactions aux électrodes. L’originalité de notre approche est donc de développer le matériau catalytique le plus efficace à la fois pour l’oxydation du glucose à l’anode et pour la réduction de l’oxygène à la cathode. Dans ce contexte, il est proposé d’oxyder le glucose par des catalyseurs métalliques (nanoparticules d’or) supportées par des nanotubes de carbone et de réduire l’oxygène par des enzymes spécifiques immobilisées sur des nanotubes de carbone. Les catalyseurs métalliques présentent une spécificité plus faible que les enzymes, mais une grande stabilité dans le temps. Le développement d’une biopile hybride vise à repousser les limitations des biopiles enzymatiques en termes de puissance et de stabilité afin de les rendre compétitives comme sources d’énergie miniatures, autonomes et spécifiquement adaptées à l’alimentation d’équipements électroniques portatifs.