Des biocatalyseurs au sein de piles à combustible : pourquoi, comment ?

Résumé

Les piles à combustible offrent une alternative aux énergies fossiles pour la production d’électricité. La nécessité d’utilisation de métaux rares, et trop facilement contaminés, pour catalyser les réactions de conversion de l’énergie chimique en énergie électrique, reste néanmoins un frein à un développement à large échelle. Pourquoi alors ne pas rechercher dans la nature des solutions moins couteuses et plus durables ? Au sein de micro-organismes, des enzymes sont identifiées qui s’avèrent être d’excellents biocatalyseurs de transformation d’un large panel de substrats utilisables comme combustibles et comburants. On définit ainsi une biopile à combustible, où ces enzymes remplacent avantageusement le catalyseur à base de platine à l’anode et à la cathode. Les premières biopiles enzymatiques reposaient sur des enzymes spécifiques de la dégradation et transformation de substrats présents dans les fluides physiologiques, glucose et oxygène en particulier. Les applications visaient l’alimentation électrique de dispositifs médicaux implantés. Ce type de biopiles a aujourd’hui atteint une maturité telle que des essais cliniques sont en cours.

Une nouvelle génération de biopile a très récemment vu le jour, qui utilise l’hydrogénase, enzyme-clé de conversion de l’hydrogène au sein de nombreux microorganismes et dans des biotopes divers, comme biocatalyseur à l’anode. Ce dispositif est la réplique des piles à combustible chimiques basse température, et profite des propriétés énergétiques de l’hydrogène comparées au glucose. S’il a tardé à se développer à cause de l’extrême sensibilité à l’oxygène de la plupart des hydrogénases connues jusque dans le milieu des années 2000, il connaît aujourd’hui un très fort développement grâce à l’identification d’hydrogénases très efficaces, tolérantes à l’oxygène et, de surcroît, résistantes au CO. Mais remplacer une particule de métal comme le platine par une enzyme n’est cependant pas trivial. La taille de l’objet biologique, la structure protéique complexe mais très organisée, les relais électroniques multiples, sont autant de facteurs qui contrôlent la catalyse. La connaissance de la structure tridimensionnelle de l’enzyme et des bases moléculaires de sa connexion sur un collecteur de courant sont nécessaires à un transfert d’électron interfacial efficace, et donc à des puissances de piles compatibles avec une application. L’augmentation des densités de courant passe aussi par la nanostructuration de matrices conductrices tridimensionnelles adaptées à l’immobilisation non dénaturante d’un nombre accru d’enzymes. Enfin, la stabilité de la bioélectrode, et à terme de la biopile, impose la recherche dans la biodiversité de nouvelles enzymes ou complexes protéiques actifs.

À partir d’exemples récents de biopiles, nous discuterons des différentes pistes envisagées pour répondre aux contraintes de l’utilisation d’enzymes pour produire de l’électricité. Nous présenterons quelques applications fondées sur ce type de dispositifs, en mettant l’accent sur les recherches interdisciplinaires aujourd’hui nécessaires pour envisager une mise sur le marché.