Développement de cathodes microbiennes à base d’acier inoxydable pour les piles à combustibles microbiennes – BioCathInox

Le projet BioCathInox propose de développer la recherche en ingénierie des biofilms électro-actifs au-delà des connaissances actuelles suivant deux volets complémentaires : Construire le socle indispensable de connaissances fondamentales sur les interfaces « acier inoxydable / biofilm électro-actifs », les exploiter pour concevoir des cathodes microbiennes optimales.

L’objectif concret est d’atteindre une densité de courant de l’ordre de 10 A/m2 avec des cathodes microbiennes à base d’acier inoxydable formées à partir de la souche bactérienne Algoriphagus sp.

Les compétences pluridisciplinaires associées dans le projet Biocathinox devraient permettre d’apporter des avancées significatives sur l`amélioration des cathodes microbiennes et en conséquence d’envisager de nouvelles orientations stratégiques quant à l’industrialisation de la technologie PCM.

Erable B., Féron D, Bergel A., 2012. Microbial catalysis of oxygen reduction reaction (ORR): a review. Chem. Sus Chem. 5 (6) : 975-987.

Les piles à combustibles microbiennes (PCM) permettent de transformer directement en énergie électrique l’énergie chimique contenue dans des composés organiques de très bas coût. Le concept était connu depuis les années 70, mais sans grand espoir de développement industriel à court ou moyen terme. Une rupture fondamentale est survenue en 2002 : la découverte inattendue de micro-organismes capables de catalyser les processus d’oxydation à la surface même d’électrodes de graphite. Ces microorganismes adhèrent spontanément à la surface des matériaux et forment une structure tridimensionnelle plus ou moins organisée, appelée biofilm électro-actifs (EA). Les biofilms électro-actifs peuvent être formés en laboratoire à partir de culture pures de microorganismes ou peuvent se développer spontanément sur des électrodes immergées dans des environnements naturels riches en micro-organismes comme les sédiments, les effluents aqueux ou les boues de station d’épuration. Grâce à ce nouveau type d’électro-catalyse assistée par des micro-organismes, les PCM produisent de l’énergie électrique en oxydant toute sorte de composés organiques (acétate, acides gras volatils, saccharides…) contenus dans les environnements naturels.
Ces avancées cruciales ont été accomplies par des équipes de microbiologistes ou de génie de l’environnement, qui n’ont pour l’instant à leur disposition que des matériaux d’électrode à base de carbone et des systèmes expérimentaux traditionnels, peu adaptés aux exigences spécifiques des piles bactériennes. De plus, la faible efficacité du compartiment cathodique reste un verrou majeur pour la plupart des études reportées dans la bibliographie. Sur ce point, le Laboratoire de Génie Chimique (LGC) et le coordonnateur du projet BioCathInox (B. Erable) ont apporté une réponse décisive au problème de la cathode, en démontrant qu’une bactérie marine électro-active, Algoriphagus sp., adhérée à la surface d’aciers inoxydables catalysent la réduction de l’oxygène dissous, avec des cinétiques comparables à celles obtenues sur du platine massif. Cette innovation apportée sur le processus cathodique pourrait être la solution salvatrice de la technologie PCM cependant des verrous scientifiques persistent et les connaissances sur les processus fondamentaux ne sont pas encore élucidés.

Le projet BioCathInox propose de développer la recherche en ingénierie des biofilms électro-actifs au-delà des connaissances actuelles suivant deux volets complémentaires :
• Construire le socle indispensable de connaissances fondamentales sur les interfaces « acier inoxydable / biofilm électro-actifs ». Les outils de la microscopie et de la biologie moléculaire vont être alors associés pour comprendre comment se structure les biofilms EA sur la surface des aciers inoxydables. Les techniques de pointe en électrochimie à l’échelle locale comme le SVET seront exploitées pour percer les mystères du transfert des électrons entre les micro-organismes et la surface de l’acier inoxydable.
• Les exploiter pour concevoir des cathodes microbiennes optimales qui permettront de faire progresser le plus rapidement les piles bactériennes vers un développement préindustriel. La combinaison de différentes échelles de structuration des électrodes (nano et/ou micro) pour favoriser l’adhésion bactérienne puis le transfert électronique constitue une approche totalement originale pour l’optimisation des performances des interfaces. Aussi, une stratégie alliant la stabilisation du milieu réactionnel et l’amélioration du transport de matière au voisinage du biofilm devrait améliorer de manière conséquente la durée de vie des cathodes microbiennes.

L’objectif concret est d’atteindre une densité de courant de l’ordre de 10 A/m2 avec des cathodes microbiennes à base d’acier inoxydable formées à partir de la souche bactérienne Algoriphagus sp.