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Production d'électricité : quand des enzymes rivalisent avec le platine

Découverte en 1839, la pile à combustible convertit l'énergie chimique de combustion de l'hydrogène en énergie électrique. Dans ce processus, aucun gaz à effet de serre n'est produit mais la pile à combustible utilise néanmoins comme catalyseurs des métaux rares et coûteux, tel le platine, pour l'oxydation de l'hydrogène et la réduction de l'oxygène.

Ces dernières années, l'identification de biocatalyseurs, des enzymes aux propriétés remarquables, a relancé très activement la recherche : leur activité de transformation de l'oxygène, mais surtout de l'hydrogène, est comparable à celle du platine. L'activité des hydrogénases était, jusqu'à récemment, inhibée par l'oxygène et donc incompatible avec une utilisation en pile.

Depuis plusieurs années, des chercheurs du laboratoire de Bioénergétique et ingénierie des protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) développent une nouvelle génération de biopiles. Ils ont remplacé le catalyseur chimique (le platine) par des enzymes bactériennes : à l'anode, l'hydrogénase (clé de conversion de l'hydrogène dans de nombreux microorganismes), et la bilirubine oxydase à la cathode.

Ils ont donc identifié une hydrogénase active en présence d'oxygène et résistante à certains inhibiteurs du platine comme le monoxyde de carbone. En collaboration avec le Centre de recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux), ils ont aussi exploré la biodiversité pour identifier des enzymes thermostables qui résistent à des températures entre 25° et 80°.

En incorporant progressivement les deux enzymes thermostables dans une architecture carbonée, les chercheurs ont apporté une solution au problème  de protection des enzymes contre des espèces chimiques générées lors de la réduction de l'oxygène et qui altèrent l'activité des enzymes. La pile peut ainsi fonctionner sans perte de performance pendant plusieurs jours.

Grâce à cette architecture contrôlée et aux propriétés intrinsèques des enzymes, les chercheurs sont parvenus pour la première fois à quantifier la proportion d'enzymes participant effectivement au courant, mettant en évidence que les courants délivrés par le biocatalyseur sont très proches des objectifs attendus pour le platine.

Ils ont de plus établi un modèle numérique permettant de déterminer la géométrie optimale de la pile. Ces biopiles apparaissent ainsi comme une alternative aux piles à combustibles classiques : la biomasse peut être utilisée à la fois pour fournir le combustible (l'hydrogène) mais également le catalyseur (les enzymes), par nature renouvelable.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

CNRS

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