Technologies microsystème pour comprendre et développer les piles à combustible microbiennes – Koropokkuru

Au sein des très nombreuses études dédiées aux BEA, il est souvent fait référence à l’impact de la topographie de la surface des électrodes sur l’efficacité électro-catalytique. Toutefois, très peu d’articles sont spécifiquement dédiés à la détermination et la quantification de ces effets, si bien que la bibliographie ne donne pas de tendance claire. Les différentes topographies de surface sont souvent liées à différentes propriétés chimiques et/ou physico-chimiques, si bien qu’il est difficile de distinguer l’impact de l’une ou de l’autre.

Le projet Koropokkuru a suivi une approche originale en ayant recours aux technologies microsystème pour concevoir, à façon, des surfaces d’électrodes dont la topographie est parfaitement calibrée et dont les propriétés chimiques et physico-chimiques restent identiques quelle que soit la topographie. Les biofilms électroactifs ont été formés avec des cultures pures de l’espèce modèle Geobacter sulfurreducens afin de figer les conditions microbiologiques et l’étude a focalisé les premières étapes de formation du biofilm. Ce sont là trois choix méthodologiques originaux par rapport à l’état de l’art.

Le projet Koropokkuru a adapté plusieurs technologies microsystème afin de maîtriser parfaitement la topographie de surfaces d’or sur une large plage d’échelles, depuis des surfaces lisses de rugosité moyenne inférieure au nm, jusqu’à des réseaux de micro-piliers de 500 µm de hauteur dotés d’une rugosité de l’ordre de quelques nanomètres à plusieurs micromètres.

Les BEA de G. sulfurreducens formés sur ces électrodes ont produit des densités de courant dont les variations de plus d’un ordre de grandeur, de 0.9 à 15 A.m-2, sont totalement contrôlées par les diverses topographies.

Les BEA sont au cœur de nombreux procédés innovants qui peinent à émerger au niveau industriel, en particulier à cause de la faiblesse des densités de courant qu’ils produisent. Le projet Koropokkuru démontre, pour la première fois à notre connaissance, que la topographie de surface de l’électrode permet de gagner plus d’un ordre de grandeur sur la densité de courant. Il ouvre un nouveau champ de recherche fondamentale en plaçant la topographie de surface comme un paramètre majeur d’optimisation des BEA.

• P. Champigneux, C. Renault-Sentenac, D. Bourrier, C. Rossi, M.-L. Délia, A. Bergel (2018) Effect of surface nano/micro-structuring on the early formation of microbial anodes with Geobacter sulfurreducens: Experimental and theoretical approaches. Bioelectrochemistry 121, 191-200.
La structuration de la surface, avec des micro-piliers de 500 µm de haut, permet de multiplier la densité de courant d’un facteur 10 par rapport à la surface lisse.

• P. Champigneux, M.-L. Délia, A. Bergel (2018) Impact of electrode micro- and nano-scale topography on the formation and performance of microbial electrodes. Biosensors and Bioelectronics 118, 231-246
Cette revue bibliographique met en lumière que des nombreuses études observent ou suspectent un impact significatif de la topographie de surface sur les densités de courant produites, mais qu’aucune corrélation claire ne peut être dégagée.

• P. Champigneux, C. Renault-Sentenac, D. Bourrier, C. Rossi, M.-L. Délia, A. Bergel (2019) Effect of surface roughness, porosity and roughened micro-pillar structures on the early formation of microbial anodes. Bioelectrochemistry 128, 17-29
Les micro-piliers, lorsqu’ils sont rugueux, conduisent à des BEA moins efficaces que les surfaces rugueuses planes. Cet effet est expliqué par les gradients de pH au sein de la micro-structure.

Les piles à combustible microbiennes (PCM) permettent de transformer directement en énergie électrique l’énergie chimique contenue dans des composés organiques de très bas coût (acétate, acides gras volatils, saccharides, chitine…). Le principe d’une PCM repose sur la mise en œuvre de micro-organismes adhérés à la surface de l’anode qui assurent la catalyse d’oxydation du combustible. Les micro-organismes adhèrent spontanément à la surface de l’anode en formant un biofilm dit électroactif qui oxyde les composés organiques en transférant directement les électrons à l’anode. Les biofilms électroactifs peuvent être formés en laboratoire à partir de cultures pures ou peuvent se développer spontanément sur des anodes immergées dans des environnements naturels tels que les sédiments marins par exemple. Une anode microbienne enfouie dans les sédiments associée à une cathode abiotique de réduction de l’oxygène donne une PCM benthique qui produit de l’énergie électrique à partir de l’énergie chimique contenue dans les sédiments.

Depuis la découverte du concept en 2002, les PCM ont vu leurs performances croître rapidement puis stagner depuis 2008 à quelques Watt par mètre carré de surface d’électrode en conditions de laboratoire et quelques dizaines de mW par mètre carré en milieu naturel. Cette densité de puissance reste insuffisante pour envisager des équipements de production massive d’énergie électrique mais elle suffirait pour l’alimentation de microcapteurs.

Le projet Koropokkuru propose deux axes de recherche. Le premier axe est destiné à avancer dans la compréhension fondamentale des mécanismes d’électrocatalyse microbienne. Les micro-technologies sont alors utilisées pour construire des électrodes spécifiques qui permettent des explorations fondamentales ciblées. La combinaison d’électrodes à surface micro-structurées ou de microélectrodes avec les outils de microscopie et de biologie moléculaire constitue une approche totalement originale pour l’étude des mécanismes d’électroactivité des biofilms. En effet, de nombreux travaux tentent l’optimisation globale des électrodes, d’autres approfondissent l’écologie microbienne des biofilms, s’attachent à identifier de nouvelles espèces électroactives et leurs voies métaboliques, mais extrêmement peu abordent les mécanismes de formation des biofilms électroactifs ou recherchent des corrélations entre la structure des biofilms et leur efficacité électrocatalytique. Les outils manquent pour cette approche, le projet Koropokkuru se propose de les construire. Nous comptons répondre ainsi à un ensemble de questionnements pour ensuite optimiser les interfaces biofilm/électrodes par une action pilotée à l’échelle des colonies microbiennes. Ce sont les bases d’une micro-ingénierie des interfaces biofilms/électrodes que nous souhaitons établir.

Le second axe du projet veut concevoir une PCM miniature qui évaluera le potentiel de la technologie pour assurer l’alimentation en énergie de microcapteurs distribués à partir des matières organiques contenues dans des sédiments marins. La mini-PCM sera construite à partir d’une anode en silicium dopé N++ micro-/nano-structurée qui intègrera les connaissances acquises dans le premier axe. Elle sera connectée électriquement à une cathode abiotique conventionnelle assurant la réduction de l’oxygène. Les deux électrodes auront la dimension d’une carte de crédit. L’anode sera dans les sédiments anoxiques, la cathode au-dessus, dans l’eau de mer aérée.

Les connaissances fondamentales qui seront créées en particulier dans l’axe 1 du projet seront la source de ruptures technologiques majeures sur le développement des PCM au-delà des applications microsystème. La mini-PCM réalisée dans l’axe 2 et testée en aquarium sur plusieurs semaines permettra de démontrer la possibilité d’exploiter les micro-technologies pour élaborer des PCM de petite taille comme sources d’énergie pour alimenter des microcapteurs à applications environnementales.