a soutenu sa thèse le 8 décembre 2015.
Development and optimization of electrospun carbon fiber electrodes designed for enzymatic or hybrid biofuel cells applications
Préparée au sein de l’école doctorale Sciences Chimiques Balard et de l’Institut Européen des Membranes de Montpellier.
Spécialité : Chimie et physico-chimie des matériaux
devant le jury composé de :
- M. Nicolas MANO, Directeur de Recherche, Université de Bordeaux, CR Paul Pascal – Rapporteur
- Mme Isabel Cristina TESSARO, Professeur UFRGS, Département de Génie Chimique, Brésil – Rapporteur
- M. Kouakou Boniface KOKOH, ProfesseurUniversité de Poitiers, IC2MP – Examinateur
- M. Philippe Miele, Professeur ENSCM – IEM – Examinateur
- M. David CORNU, Professeur ENSCM – IEM – Directeur de Thèse
- Mme. Sophie TINGRY, Chargée de Recherche CNRS – IEM – Co-directrice de Thèse
Résumé :
Ce manuscrit de thèse présente la synthèse et l’optimisation d’un nouveau matériau d’électrode adapté aux biopiles enzymatiques et hybrides qui sont des systèmes capables de convertir de l’énergie chimique en énergie électrique en utilisant des catalyseurs enzymatiques. Ce matériau est constitué de nanofibres de carbone fabriquées par la technique d’electrospinning à partir d’une solution de polyacrylonitrile, suivi de traitements thermiques appropriés. Les propriétés structurales et électriques des nanofibres de carbone les rendent très intéressantes en tant que matériaux d’électrode tridimensionnels pour développer des systèmes de conversion d’énergie. Dans ce travail, les propriétés des électrodes à base de nanofibres de carbone ont été améliorées par adsorption de nanotubes de carbone ou croissance in situ de particules d’or. D’autre part, l’influence de l’organisation spatiale des fibres a été étudiée avec la synthèse de fibres alignées et non alignées. Des bioélectrodes ont été préparées à partir de ces différents types de matériaux en utilisant des enzymes oxydoréductases. Ces enzymes ont été encapsulées dans des matrices de Nafion, polypyrrole ou chitosan pour réaliser soit du transfert médiaté, soit du transfert direct. Ces bioélectrodes ont été employées par la première fois dans des biopiles enzymatiques et hybrides utilisant comme combustible soit de l’éthanol ou du glucose. Les résultats obtenus dans ce travail ont démontré toute la potentialité des matériaux à base de nanofibres de carbone pour la construction de biopiles performantes, ce qui représente une avancée significative vers un futur developpement industriel.
Abstract:
This thesis manuscript presents the synthesis and optimization of a new electrode material suitable for enzymatic and hybrid biofuel cells, which are systems capable of converting chemical energy into electrical energy by using enzymatic catalysts. This material is composed of carbon nanofibers fabricated by the electrospinning of a polyacrylonitrile solution, followed by appropriate thermal treatments. Carbon nanofibers structural and electrical properties make them very suitable for application as tridimensional electrode materials for the development of energy conversion systems. In this work, the properties of electrodes composed of carbon nanofibers were enhanced through the adsorption of carbon nanotubes, or the in situ growing of gold particles. In a different strategy, the influence of the fibers spatial organization was studied through the synthesis of aligned and randomly organized fibers. Bioelectrodes were prepared from these different types of materials with oxidoreductase enzymes. Enzymes were entrapped in matrixes composed of Nafion, polypyrrole or chitosan in order to realize either mediated or direct electron transfer. These bioelectrodes were employed for the first time in enzymatic and hybrid biofuel cells, with ethanol or glucose as fuels. The results obtained in this work were able to demonstrate the potential of materials based of carbon nanofibers for the construction of performing biofuel cells, which represents a significant advance toward future industrial development.
