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Soutenance de thèse Anne de Poulpiquet

par Webmaster - publié le

Anne de Poulpiquet (BIP01) soutiendra sa thèse le 4 décembre à 13h30 dans l’amphi Desnuelles, sur les "Biopiles enzymatiques H2/O2 : Nanostructuration de l’interface électrochimique pour l’immobilisation des enzymes rédox", devant le jury composé de
- Elisabeth Lojou (directrice de thèse)
- Michael Holzinger (examinateur)
- Philippe Knauth (examinateur)
- Alexander Kuhn (examinateur)
- Corinne Lagrost (rapportrice)
- Nicolas Plumeré (rapporteur)
- Marius Réglier (examinateur)

Résumé :

Dans la nature, les réactions de réduction de l’oxygène et d’oxydation de l’hydrogène sont catalysées par des enzymes de la famille des oxydoréductases. Ces catalyseurs spécifiques, efficaces, renouvelables et biodégradables constituent une alternative séduisante au platine dans les procédés comme les piles à combustible. L’immobilisation à des interfaces nanostructurées de l’hydrogénase membranaire tolérante à l’oxygène extraite de la bactérie hyperthermophile Aquifex aeolicus, et de la bilirubine oxydase thermostable extraite de la bactérie Bacillus pumilus, a été étudiée dans cette optique.
L’électrochimie et la dynamique moléculaire ont permis d’affiner le modèle d’orientation de l’hydrogénase sur les surfaces planes. L’efficacité de l’immobilisation de l’hydrogénase sur différents nanomatériaux carbonés (nanoparticules, nanotubes et nanofibres de carbone) nanostructurant la surface de l’électrode a été évaluée. En particulier, les nanofibres de carbone en arrêtes de poisson ont permis de former une bioanode efficace pour l’oxydation de l’H2 en l’absence de médiateurs redox. L’étude a souligné l’importance d’un transport efficace du substrat au sein du film carboné mésoporeux. Les nanofibres de carbone ont également été utilisées comme matériau d’électrode pour réaliser la première connexion directe de la bilirubine oxydase. L’existence d’une forme resting alternative de l’enzyme, influencée par les ions chlorures, le pH et la température, a été mise en évidence. Une biocathode efficace pour la réduction de l’oxygène a été développée.
Les deux électrodes thermostables ont permis le développement de la 1ère biopile H2/O2 qui délivre des densités de puissance supérieures au mW.cm-2 sur une large gamme de température. Ce résultat ouvre la voie à l’alimentation électrique de dispositifs de faibles puissances.

Summary :

The oxygen reduction and the hydrogen oxidation reactions are realized in nature by oxidoreductase enzymes. These highly efficient, specific, renewable and biodegradable catalysts appear as a seducing alternative to platinum in fuel cell devices. The immobilization at nanostructured interfaces of the membrane-bound oxygen-tolerant hydrogenase from the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus, and of the thermostable bilirubin oxidase from Bacillus pumilus, has been studied within this objective.
Electrochemistry and molecular dynamics have been used to validate the orientation model of the hydrogenase at planar electrodes. Hydrogenase immobilisation in 3D-networks based on various carbon materials (nanoparticles, nanotubes and nanofibers) has been especially studied. Fishbone carbon nanofibers were demonstrated to provide an efficient platform for mediatorless H2 oxidation. Mass transport inside the carbon mesoporous film has been especially studied and demonstrated to be one of the limitations of the catalytic efficiency. Direct electrical connection of bilirubin oxidase has also been realized for the first time thanks to its immobilization on carbon nanofiber films. An alternative resting form of the enzyme, influenced by chlorides, pH and temperature, has been evidenced. An efficient biocathode for the oxygen reduction reaction has been developed.
Thanks to the two thermostable electrodes, the first H2/O2 bio fuel cell able to deliver power densities over 1 mW.cm-2 over a large temperature range has been developed. This result paves the way for the electrical alimentation of low-power devices.