Thinking out of the chemical box… Les biopiles à combustible

Téléphone, voiture, éclairage, chauffage… les applications qui requièrent la consommation et la transformation d’énergie font partie de notre vie. La course débutée il y a déjà quelques années vers un style de vie vert nous a apporté des technologies de plus en plus efficaces pour récolter les énergies renouvelables, les entreposer et les transformer. À mi-chemin entre l’innocence énergétique qui habitait nos ancêtres et l’idéal développement durable, nous avançons maintenant à bord de voitures électriques, propulsées au lithium ou à l’hydrogène. Or, dans le chemin vers l’efficacité énergétique, nous perdons parfois de vue le coût environnemental relié aux nouvelles technologies de l’énergie. Nous quitterons donc le mainstream énergétique pour explorer une avenue technologie nouvelle qui se risque au compromis entre performance et empreinte environnementale.

Miraï. C’est le nom de la voiture que vous voulez probablement si, peu confiant des performances des piles aux lithium en hiver, vous optez pour une pile à hydrogène. Ces piles sont dites à combustible. Elles fonctionnent sur les mêmes principes de réactions d’oxydoréduction que les piles conventionnelles, mais contrairement à ces dernières, elles ne renferment pas les réactifs nécessaires à leur fonctionnement dans les matériaux qui les composent. Les réactifs sont apportés en un flux continu à la pile qui sert plutôt de site catalytique. Les réactions de réduction et d’oxydation y retirent l’énergie des réactifs lors de leur transformation en produits.

L’importance de la catalyse dans les piles à combustible fait de cette technologie une grande consommatrice de métaux nobles. Platine, palladium et ruthénium en tête, ces métaux sont très efficaces pour faciliter l’oxydation et la réduction des molécules simples. Ils permettent ainsi de maximiser la différence de potentiel de ces réactions et du même coup la quantité d’énergie retirée des produits.

Ironiquement, les métaux nobles dont dépend aujourd’hui la performance des piles à combustible sont critiqués sur le plan environnemental. Le cycle de vie de ces métaux pourrait devenir un des plus polluants. Outre quelques rares sources primaires, ces métaux se retrouvent généralement dans différents minéraux à l’état de trace. Dans ce dernier cas, les processus d’extraction et de raffinage des métaux s’apparentent à ceux utilisés pour les terres rares. L’obtention d’une petite quantité de métal noble requiert alors des quantités d’énergie énormes, puis s’accompagne du relargage de polluants ainsi que de la grande majorité du minerai exploité.

L’industrie d’aujourd’hui tire les métaux nobles de sources primaires ou des impuretés d’industrie métallurgique connexe comme la production de cuivre ou de zinc, mais la situation pourrait rapidement changer. La forte demande pour les métaux nobles et l’épuisement des gisements risquent d’obliger les industriels à se tourner vers l’exploitation de minerais très peu concentré dans un avenir proche. Imaginer un futur propulsé par des piles à combustible revient à envisager également une planète où de larges zones minières stériles se multiplient.

Les dernières années ont vu naître plusieurs alternatives aux métaux nobles comme catalyseur. Une des plus ingénieuses est l’utilisation de catalyseurs biologiques. Les cellules biologiques possèdent le matériel protéique nécessaire à l’oxydation de diverses molécules organiques. Sucres, ammoniac, hydrocarbures sont en effet digérés par différents cycles enzymatiques dans les bactéries. Pourrait-on exploiter ces systèmes biologiques pour alimenter une pile à combustible ? Oui, c’est ainsi que l’idée des bio-piles à combustible venait de voir le jour !

Les bio-piles à combustible utilisent directement les enzymes bactériennes comme catalyseur. Les molécules de combustibles sont dégradées par les enzymes tapissées sur les parois de la pile, qui adoptent alors les potentiels de demi-réaction propres à ces enzymes. Pour maximiser la dégradation des réactifs, un cycle biochimique complet est parfois reproduit dans la pile en y utilisant une série d’enzymes qui opèrent des réactions successives sur le réactif d’intérêt. L’énergie récupérée par la pile lors de la dégradation de cette molécule est alors similaire à celle qui serait récupérée par l’organisme dont les enzymes proviennent.

La figure 1 illustre le fonctionnement bio-pile simple qui opère une première étape d’oxydation du glucose par la glucose oxydase. Cette oxydation est couplée à la réduction de l’oxygène gazeux opérée par la laccase. Une troisième enzyme est présente pour dégrader le peroxyde d’hydrogène produit lors de l’oxydation. Bien que la dégradation électrochimique du glucose récolté des plantes comme source d’énergie renouvelable soit un des objectifs des bio-piles, les exemples d’applications utilisant différents réactifs ne manquent pas. En 2014, une équipe de recherche des États-Unis, motivée par des applications dans le domaine militaire, démontrait la première oxydation d’alcanes à température pièce par une bio-pile à combustible.2 La même équipe contribuait quelques années plus tard à la conception d’un patch pour les sportifs désirant charger leur appareils électroniques portable à partir de l’énergie de biodégradation électrochimique de l’acide lactique présente dans la sueur.3

Figure 1 : Exemple de biopile opérant la dégradation électrochimique du glucose par l’oxygène.1

Intégrer la machinerie moléculaire bactérienne aux systèmes électrochimiques dans les biopiles à combustible n’est pas une mince affaire. De la bactérie à la pile fonctionnelle, une diversité d’acteurs et de domaines de la science interviennent avec la nécessité de l’interdisciplinarité. La microbiologie se charge de dénicher et d’optimiser le matériel protéique le plus efficace pour les applications électrochimiques. La chimie des matériaux intervient dans la conception des polymères liants parfois fonctionnels qui attachent les enzymes aux substrats. L’électrochimie s’intéresse aux rendements énergétiques et à la compréhension des phénomènes d’oxydoréduction et de transfert de charge dont ils dépendent. L’optimisation technique des composantes, ainsi que la gestion des contraintes de température, de puissance et d’interaction pile-pile, reviennent au génie.

Tout ce travail soulève une question légitime ; sommes-nous près de voir les biopiles à combustible apparaître dans notre environnement technologique?

Bien que le domaine avance à pas de géant, l’activité des catalyseurs enzymatiques doit encore progresser d’au moins un ou deux ordres de grandeur pour rattraper celle de leurs homologues métalliques. La question de la dégradation des électrodes se pose également, tout comme celle du coût en énergie et en carbone associé à la fabrication des électrodes fonctionnalisées par les enzymes. Malgré ces obstacles, certaines applications nichées se développent déjà pour les bio-piles à combustible, loin des applications de puissance. Dans le domaine des biosenseurs et bio-implants, des dispositifs alimentés par une bio-pile à combustible se nourrissant directement à la matrice biologique apparaissent dans la littérature.

Chose certaine, l’attrait pour la dégradation verte de molécules complexes à température pièce ne diminuera pas au fil des ans. Si nous ne voyons pas les bio-piles à combustible apparaître autour de nous dans les prochaines années, nous devrions du moins les voir de plus en plus fréquemment dans les séminaires et conférences scientifiques. ■

Article par Maxime Leclerc

Références :
1. Escalona-Villalpando, R. A. (2019) Journal of Power Sources, 414, 150-157
2. Yevgenia, U. (2014) ACS Catalysis, 4, 4289-4294
3. Escalona-Villalpando, R. A. (2019) Journal of Power Sources, 412, 496-504

Laisser un commentaire