La compréhension du processus électrochimique de la réaction de réduction du dioxygène (ORR) à pH neutre dans les piles à combustibles microbienne est un véritable défi technologique en lien avec la conversion et le stockage de l’énergie. Une équipe internationale vient de publier une synthèse qui fait le bilan de l’état de l’art actuel dans la revue Nature Catalysis, elle présente et analyse de façon critique les mécanismes, les verrous et les pistes d’amélioration des systèmes électrocatalytiques recensés, qu’ils soient biotiques et abiotiques.
Les travaux sur des piles à combustibles microbienne (en anglais, Microbial Fuel Cell=MFC) sont en plein essor depuis le début des années 2000. Par rapport aux autres technologies de « Fuel Cells », les MFC ont la particularité de mettre en œuvre sur les anodes, des catalyseurs microbiens appelés biofilms élèctroactifs. Ces catalyseurs biotiques se forment naturellement sur les matériaux d’anode biocompatibles et sont composés majoritairement de cellules vivantes de microorganismes et de polymères microbiens autoproduits par ces cellules.
Au cœur d’une MFC, les cathodes sont bien souvent abiotiques et fonctionnent grâce à la catalyse de la réduction du dioxygène par du platine supporté sur des électrodes de carbone. Toutefois, le platine, rare et donc très coûteux, offre des performances électrocatalytiques limitées dans la gamme de pH dans laquelle fonctionnent les MFCs (6<pH<8). Il existe un bon nombre de projets visant à développer des catalyseurs alternatifs pour remplacer le platine sur les cathodes des MFCs. Principalement, on peut citer les recherches menées autour des catalyseurs inorganiques, et celles bio-inspirés comme les bioacatalyseurs (enzymes, macro complexes enzymatiques, biofilms microbiens).
Cet article est issu d’une collaboration internationale entre cinq experts des catalyseurs alternatifs, appartenant aux universités de Milano-Bicocca, Bari A. Moro, Toulouse, Californie Irvine et à l’Institut flamand pour la recherche technologique.
Benjamin Erable est chercheur CNRS au Laboratoire de Génie Chimique de l’Université de Toulouse. Il a passé 10 ans de sa carrière à sélectionner et comprendre le fonctionnement de microorganismes électroactifs pour remplacer le platine dans les MFCs. En effet, certains microorganismes électroactifs et plus particulièrement certaines bactéries aérobies sont de très bons catalyseurs électrochimiques de la réduction du dioxygène lorsqu’ils sont adhérés sous forme de biofilms sur la surface d’une électrode (Erable et al., 2012 https://doi.org/10.1002/cssc.201100836). On parle alors de biocathodes aérobies ou de cathodes microbiennes aérobies pour qualifier ces systèmes de cathodes à biofilms capables de réduire le dioxygène.
Références :
Oxygen reduction reaction electrocatalysis in neutral media for bioelectrochemical systems
Carlo Santoro, Paolo Bollella, Benjamin Erable, Plamen Atanassov & Deepak Pant
Nature Catalysis (2022)