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RÉSUMÉ
La biocatalyse des réactions anodiques ou cathodiques est à l'origine des mécanismes de biocorrosion et fait partie des phénomènes redoutés par les utilisateurs de matériaux métalliques. Cette biocatalyse peut être utilisée de manière positive pour augmenter les vitesses des réactions électrochimiques qui se produisent à l'anode et à la cathode de piles à combustible. La mise en œuvre de bactéries dans des biofilms ou l'utilisation d'enzymes comme catalyseurs sont aujourd’hui quelques pistes pour améliorer les performances et diminuer les coûts des piles à combustible.
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The biocatalyst of anodic and cathodic reactions is at the origin of the mechanisms of biocorrosion and forms part of the phenomena dreaded by the users of metallic materials. This biocatalyst can be used in a positive manner to increase the speed of the electrochemical reactions of the anode and cathode in the fuel cell. The use of bacteria in biofilms or the use of enzymes as catalysts currently leads the way in enhancing performance and reducing the costs of fuel cells.
Auteur(s)
INTRODUCTION
La biocatalyse des réactions anodiques ou cathodiques est à l'origine des mécanismes de biocorrosion et fait partie des phénomènes redoutés par les utilisateurs de matériaux métalliques. Cette biocatalyse peut être utilisée de manière positive pour augmenter les vitesses des réactions électrochimiques qui se produisent à l'anode et à la cathode de piles à combustible. À l'heure où les piles à combustible font l'objet de nombreuses recherches pour diminuer leur coût et améliorer leurs performances, la mise en œuvre de bactéries dans des biofilms ou l'utilisation d'enzymes comme catalyseurs deviennent des solutions alternatives crédibles et galvanisent les recherches en France et à l'étranger.
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Biocatalyse enzymatique (biofuel cells)
En anglais
1. Contexte
Damien FÉRON est expert senior au CEA-Saclay, Service de la corrosion et du comportement des matériaux dans l’environnement.
Alain BERGEL est directeur de recherche au Laboratoire de génie chimique du CNRS-INPT à Toulouse au sein de l’École nationale supérieure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques (ENSIACET).
Une pile à combustible produit de l'électricité grâce à l'oxydation d'un combustible sur l'anode et la réduction d'un oxydant sur la cathode. Les piles à combustible les plus connues du grand public exploitent l'oxydation de l'hydrogène à l'anode couplée à la réduction de l'oxygène à la cathode . Les performances d'une pile sont directement corrélées à la vitesse des réactions électrochimiques sur chacune des électrodes. Des catalyseurs, souvent à base de platine, sont nécessaires pour accélérer les réactions d'électrode. Leur coût constitue un frein majeur au développement de piles à prix abordables. Ces catalyseurs, très sensibles à l'inhibition par toutes sortes de composés, exigent en outre l'utilisation de combustibles relativement purs.
Longtemps en sommeil, le concept de pile à combustible biologique ou pile microbienne a cristallisé à la naissance de ce XXIe siècle. Il y a cinq ans, deux articles parus dans Science et Nature Biotechnology proposent d'exploiter les sédiments marins pour produire de l'électricité. Les auteurs construisent une pile à combustible dont l'une des électrodes, l'anode, est enfouie dans les sédiments anaérobies et l'autre, la cathode, placée au-dessus dans l'eau plus ou moins saturée en oxygène dissous. Leurs résultats montrent que c'est la colonisation de la surface de l'anode par des bactéries spécifiques qui augmente de façon remarquable l'efficacité du transfert des électrons. La même année et indépendamment de ces travaux, deux équipes françaises, l'une du Centre national de la recherche scientifique (CNRS – Laboratoire de génie chimique, Toulouse), l'autre du Commissariat à l'énergie atomique (CEA – Saclay, Service de la corrosion et du comportement des matériaux dans leur environnement), déposent deux demandes conjointes de brevet intitulées « Pile à combustible utilisant des enzymes en tant que catalyseurs des réactions cathodique et/ou anodique » et « Pile à combustible utilisant des biofilms...
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Contexte
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - STEVENS (P.), NOVEL-CATTIN (F.), HAMMOU (A.), LAMY (C.), CASSIR (M.) - Piles à combustible - . [D 3 340], Techniques de l'Ingénieur, base documentaire « Convertisseurs et machines électriques » (2000).
-
(2) - BOND (D.R.), HOLMES (D.E.), TENDER (L.M.), LOVLEY (D.R.) - Electrode-reducing microorganisms that harvest energy from marine sediments - . Science 295, p. 483-5 (2002).
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(3) - TENDER (L.M.), REIMERS (C.E.), STECHER (H.A.), HOLMES (D.E.), BOND (D.R.), LOWY (D.A.), PIBLOBELLO (K.), FERTIG (S.), LOVLEY (D.R.) - Harnessing microbially generated power on the seafloor - . Nature Biotechnology 20, p. 821-5 (2002).
-
(4) - FERON (D.), BERGEL (A.) - Pile à combustible utilisant des enzymes en tant que catalyseur de la réaction cathodique et/ou anodique - . Brevet FR 02.01488 (7 février 2002).
-
(5) - BERGEL (A.), FERON (D.) - Pile à combustible utilisant des biofilms en tant que catalyseur de la réaction cathodique et/ou anodique - . Brevet FR 02.10009 (6 août 2002).
- ...
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