Biocatalyse en condition triphasique: modélisation et design des électrodes enzymatiques à diffusion de gaz – THREENZY

Efficaces, sélectifs et composés d'éléments non nobles, les catalyseurs enzymatiques pourraient remplacer les catalyseurs hétérogènes abiotiques dans des dispositifs d'énergie durable tels que piles à combustible, bioréacteurs ou photobiopiles. L'utilisation des enzymes est particulièrement intéressante pour la transformation catalytique de petites molécules gazeuses telles que H2, O2, N2, CH4, CO2, nécessitant par ailleurs un apport d'énergie élevé pour surmonter la barrière d'activation. Pourtant, les performances des bioélectrodes sont souvent sévèrement limitées dans les réactions mettant en jeu ces gaz en raison de leur faible solubilité et de l'impossibilité pour les enzymes de fonctionner à l'état sec. Le but de ce projet est de réconcilier les biocatalyseurs avec la phase gazeuse en concevant et en fabriquant des électrodes à diffusion de gaz adaptées aux systèmes catalytiques enzymatiques par une approche mixte de modélisation théorique et d'investigation expérimentale.
Le projet bénéficiera de la puissance du calcul numérique pour construire un modèle de bioélectrode à diffusion de gaz qui tient compte des particularités des catalyseurs enzymatiques. Les propriétés caractéristiques des enzymes, telles que la dépendance en pH, la cinétique de Michaelis-Menten et la cinétique électrochimique ou l'hydratation, seront introduites dans des modèles basés sur les électrodes à diffusion de gaz classiques. Un nouveau design de bioélectrode à diffusion de gaz enzymatique sera ainsi proposé qui sera ensuite implémenté et validé expérimentalement sur des modèles enzymatiques d'intérêt technologique. Enfin, pour s'assurer que le biocatalyseur fonctionne dans des conditions optimales, des stratégies de protection seront mises en place pour la bioélectrode optimisée.
Le projet contribuera à la compréhension et à l'amélioration des performances des bioélectrodes basées sur des catalyseurs redox enzymatiques efficaces mais encore sous-exploités. A terme, les résultats de ce projet devraient permettre de remplacer efficacement par des enzymes des catalyseurs abiotiques coûteux pour des applications dans le domaine de l’énergie.