Nanoconfinement d'enzymes dans des architectures nanocages pour la conversion bioélectrocatalytique d'énergie – CAGEZYMES
Nanocage électrodes de précision moléculaire pour emprisonner et protéger des enzymes rédox pour la conversion bioélectrocatalytique d'énergie
Les enzymes possèdent des avantages par rapport aux catalyseurs métalliques, synthétiques ou rares tels que la spécificité remarquable et la réactivité efficace dans des conditions douces, mais ils sont complexes et fragiles. La stabilité limitée des bioélectrodes enzymatiques est une barrière technologique pour les biopiles enzymatiques et les capteurs enzymatiques électrochimiques.
Nanoconfinement d'enzymes dans des architectures nanocages pour améliorer la stabilité et l’activité des transformations bioélectrocatalytiques
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques capables de accelerer nombreuses réactions biologiques importantes. Par rapport aux catalyseurs métalliques synthétiques ou rares, les enzymes ont des avantages telle que la spécificité exquise, la réactivité élevée dans des conditions douces, et un faible impact environnemental. Cependant, la fragilité des enzymes en dehors de leur environnement naturel est un problème majeur qui limite généralement leur utilisation. Les biopiles enzymatiques sont une sous-catégorie de piles à combustible qui peuvent fournir des puissances de µW à mW cm-2 à partir de combustibles naturels comme le glucose et l’oxygène. Ces biopiles offrent désormais la possibilité réelle de remplacer les batteries ou piles miniatures, complexes et non écologiques. Une question souvent négligée et un verrou technologique est la stabilité limitée des enzymes et des interfaces enzymes-électrodes, en particulier dans des conditions difficiles et/ou des conditions de désactivation. Cette problématique ne concerne pas seulement les biopiles mais aussi les technologies de biocapteurs enzymatiques électrochimiques.<br /><br />Des travaux récents ont démontré qu’un niveau de contrôle élevé sur l’immobilisation spatiale des enzymes aux surfaces, aux interfaces et en petits volumes, peut considérablement améliorer leur activité catalytique et leur stabilité par rapport aux enzymes libres en solution. Néanmoins, les matériaux poreux les plus performants sont souvent avec des architectures de précision limitée. Cela ouvre un nouvel axe de recherche visant à confiner et à protéger des enzymes dans des architectures poreuses ordonnées.<br /><br />L’objectif principal est de développer des électrodes nanostructurées ultra-précises pour confiner et protéger les oxydoréductases afin de prolonger la durée de vie des biopiles à combustibles pour un avenir énergétique plus propre et durable. La vision est de développer une nouvelle méthodologie et compréhension qui s’appliquera aux enzymes pour la conversion énergétique, et éventuellement d’autres types de catalyseurs et biomolécules pour des applications comme les supercondensateurs, piles et biocapteurs.
Des méthodes seront développées pour former des électrodes en métal organic frameworks présentant des propriétés spécifiques, notamment des structures de pores, des fonctions chimiques et des conductivités. Des méthodes innovantes d’assemblage des électrodes MOF sont en cours d’élaboration. L’électrochimie, la diffraction des rayons X en poudre, la microscopie électronique et les techniques spectroscopiques sont les principales techniques de caractérisation utilisées dans ce projet.
Dans la première moitié de ce projet, nous avons fait de bons progrès sur la synthèse et la caractérisation des MOFs et des électrodes dérivées du MOFs avec des micropores et mésopores intégrant des nanotubes de carbone. Des méthodes de synthèse solvothermique et hydrothermale des MOFs hydrostables et rédox-actifs ont été développées (WP1).
Des progrès importants ont été accompli sur l’assemblage et la caractérisation des composites MOF/enzyme (WP2) pour la biocatalyse et la bioélectrocatalyse.
La possibilité de réaliser des transferts d’électrons entre les enzymes redox et les électrodes du type MOF a été démontré dans le tampon physiologique. Des essais de stabilité ont été effectués. Nous avons pu observer des effets de confinement et de protection électrostatique, mais d’autres expériences et compréhensions sont nécessaires.
Pour plus de détails veuillez voir la version en anglais.
Ce projet vise à faire avancer le domaine de la bioélectrocatalyse et en particulier le développement d’électrodes catalytiques et biopiles à combustibles plus durables dans des conditions difficiles et/ou des conditions de désactivation pour une énergie propre et durable. Ce projet fait des avancées importantes dans les domaines de la chimie de surface à l’échelle nanométrique, de la science des matériaux poreux, de la biologie et de l’électrochimie. Comme mentionné précédemment, la méthodologie développée pourrait être étendue au confinement d’autres catalyseurs ou bioentités pour des applications telles que les piles à combustible, les supercondensateurs, les capteurs et les réacteurs.
Les biopiles enzymatiques avec des sorties de puissance de µW à mW typiques sont actuellement destinées à des applications de faible puissance, par exemple, pour l’alimentation des dispositifs médicaux électroniques. Par exemple, le recyclage des batteries n’est pas efficace et conduit souvent à des problèmes tels que la pollution de l’environnement. En même temps, la demande de dispositifs médicaux est en pleine croissance. Ce projet ANR CAGEZYMES est destiné à produire de nouveaux résultats et compréhensions fondamentaux et afin d’aider à prolonger la durée de vie et améliorer la performance des électrodes bioélectrocatalytiques pour des applications dans biopiles ainsi que des biocapteurs.
Le développement de matériaux poreux et de catalyseurs durables pour la conversion d’énergie propre dans ce projet est aligné sur la stratégie climatique et énergétique de l’Union européenne, y compris les directives de l’UE visant à développer l’énergie propre pour les Européens avec une utilisation améliorée des matériaux et de l’énergie renouvelables.
2 publications à ce jour.
Les enzymes sont des catalyseurs naturels de plus en plus utilisés avec des électrodes afin d’étudier et contrôler des transformations chimiques. Elles ont des avantages par rapport aux catalyseurs de synthèse, comme leur haute spécificité, mais sont complexes et fragiles. Le but de ce projet est de développer des nanocages de précision moléculaire pour emprisonner et protéger des enzymes rédox pour la bioélectrocatalyse. Des méthodes seront développées pour former des électrodes en metal organic frameworks présentant des pores et des fonctions chimiques spécifiques. Des méthodes innovantes permettant l’assemblage de MOFs-électrodes seront développées. Il sera établi si les nanocages sont capables de stabiliser les enzymes afin de les étudier et donner naissance à une nouvelle génération de biopiles pour la conversion d’énergie durable. Ce projet de 4 ans permettra au jeune CR du CNRS de former son équipe de recherche et de mener le développement d’une nouvelle thématique à Grenoble.
Coordination du projet
Andrew Gross (DEPARTEMENT DE CHIMIE MOLECULAIRE)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
DCM DEPARTEMENT DE CHIMIE MOLECULAIRE
Aide de l'ANR 179 550 euros
Début et durée du projet scientifique :
septembre 2020
- 48 Mois
