Conception de matériaux avancés en 2D et 3D pour les techniques operando de bioélectrocatalyse – MatOpeBioCat

L'électrocatalyse enzymatique est un procédé respectueux de l'environnement pour diverses applications allant de l'énergie aux capteurs environnementaux et médicaux. Grâce d’une part à des matériaux avancés pour la conception d'électrodes 2D et 3D, partant d’électrodes planes à des électrodes partternées jusqu’à des électrodes 3D poreuses à base de films minces d’oxyde transparent conducteur (TCO), et d’autre part le développement de méthodes operando spécifiques et originales, le projet MatOpeBioCat répondra à trois grandes questions fondamentales non résolues pour maîtriser pleinement la bioélectrocatalyse et accélérer le développement de dispositifs électrochimiques enzymatiques. Une approche multiéchelle et multimodale sera utilisée à cette fin avec différentes méthodes couplées à l'électrochimie (nommées e-méthodes). 1) Comment l'activité enzymatique est liée à la quantité et à la conformation/orientation de l'enzyme à l'électrode. Des approches operando e-ATR-IR et e-QCM seront mises en œuvre sur des électrodes film mince 2D dont la rugosité de surface est inférieure à la dimension des enzymes. La nature des interactions spécifiques enzyme-matériau-électrode et les bases moléculaires de l'immobilisation fonctionnelle des enzymes pourront ainsi être déterminées. 2) Quel est l'effet de l'encombrement de surface et de la distribution spatiale des enzymes sur l'électrocatalyse. Une approche progressive allant d’électrodes 2D patternées, vers des électrodes poreuses 3D en combinaison avec des méthodes operando (e-ATR-IR, e-SPR, microscopie confocale à fluorescence (e-FM) et FRET) sera poursuivie pour étudier ces effets encore très peu pris en compte. 3) Comment l'environnement enzymatique local affecte l'activité dans les matériaux poreux 3D conçus pour maximiser les densités de courant catalytique. De manière originale, le couplage de l’électrochimie à la microscopie confocale de fluorescence (e- CLSFM) sera développé à cet effet. La rationalisation des biointerfaces pour l’électrocatalyse obtenue grâce aux électrodes TCO 2D sera étendue à des macrostructures de carbone poreux 3D revêtues de TCO afin d’optimiser la charge enzymatique surfacique électroactive, de surmonter les limitations de transport de masse et d'obtenir des densités de courant élevées et stables.
La force du projet MatOpeBioCat repose sur la complémentarité des expertises du consortium franco-allemand dans i) la conception avancée de matériaux nanostructurés / électrodes (partenaire allemand UF) pour fournir des plateformes efficaces d'immobilisation d’enzymes, ii) la production et la caractérisation d'enzymes présentant des propriétés exceptionnelles, idéales pour fonctionner en tant que catalyseurs dans les dispositifs bioélectrochimiques (piles à combustible, électrolyseurs, capteurs) (partenaire français BIP). Les deux partenaires développeront des méthodologies spécifiques permettant le développement de matériaux sur mesure et l'analyse operando de l'immobilisation enzymatique et de la bioélectrocatalyse à l'échelle globale et locale. Ce consortium original permettra un processus d'optimisation itératif entre différentes biointerfaces, afin de déterminer les facteurs clés liés à l'électrode, à l'enzyme et à l'interface électrode/enzyme permettant leur rationalisation pour une bioélectrocatalyse efficace.