Une biopile surpuissante.
Après avoir réalisé une biopile capable de produire de l'électricité à partir de la photosynthèse d'un cactus(1), des chercheurs du Centre de recherche Paul Pascal du CNRS (CRPP) viennent de mettre au point la plus puissante et la plus petite biopile jamais réalisée. Deux équipes pilotées par Nicolas Mano et Philippe Poulin ont réussi le passage de biopiles produisant jusqu'à présent entre 1μW/cm² et 50 μW/cm², à 740 μW/cm² grâce à l'élaboration d'électrodes innovantes. Ces recherches représentent un grand pas dans la perspective d'intégration de biopiles à des dispositifs notamment thérapeutiques. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications le 12 avril 2010.
De manière générale, améliorer les performances des dispositifs électrochimiques (capteurs, biopiles, actionneurs…) nécessite de concevoir des électrodes dont les matériaux répondent à des exigences de plus en plus strictes. Le transport de matière dans l'électrode doit-être le plus faible possible et la surface spécifique des matériaux qui constituent l'électrode doit, elle, être très importante, pour augmenter la surface réactionnelle. Comment jouer avec ces deux paramètres pour augmenter la quantité de courant fournie par la pile ?
La limitation du transport de masse peut notamment être diminuée en réalisant des électrodes de petite dimension appelées micro-électrodes. Pour augmenter la surface spécifique de l'électrode, un défi des recherches actuelles est d'augmenter sa porosité. Ceci revient à augmenter la surface réactionnelle de l'électrode sans toucher à ses dimensions. C'est une première que l'équipe « Biopiles » et l'équipe « Nanotube » du CRPP ont réalisée en mettant au point de nouvelles microélectrodes à base de fibres de nanotubes de carbone de grande porosité, donc, présentant une grande surface spécifique (»300 m2/g), et dont le diamètre ne mesure que quelques microns. En utilisant ces fibres à l'anode et à la cathode, les chercheurs viennent de mettre au point la biopile glucose/O2 la plus puissante et la plus petite réalisée à ce jour, générant un courant électrique d'une puissance inégalée de 740 µW.cm-2 à + 0.57V.
Pour mettre en évidence les performances de cette biopile, les chercheurs ont tout d'abord étudié la réduction de l'O2 et établi des comparaisons avec les meilleurs systèmes concurrents réalisés avec des fibres de carbone. Comme le montre la Figure 1, après modification avec des bioélectrocatalyseurs (polymère + enzyme), il a été possible de réduire l'O2 à une densité de courant de 1.5 mA.cm-2 sur une fibre de nanotubes de carbone alors qu'on obtenait seulement 0.3 mA.cm-2 en utilisant une fibre de carbone « classique ». De plus, une fois modifiées, les fibres de nanotubes se sont montrées 10 fois plus stables que des fibres de carbone. Ces résultats démontrent clairement les avantages de telles électrodes :
- augmentation de la surface spécifique de l'électrode,
- augmentation de la densité de courant limite,
- amélioration des transferts électroniques entre l'enzyme et l'électrode,
- amélioration de la stabilité du système.
Ces nouvelles électrodes sont un progrès considérable pour la réalisation de futurs dispositifs comme des capteurs bioélectrochimiques ou des biopiles pour l'alimentation de capteurs médicaux ou d'appareils électriques portables (communication, électronique).
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