Thèse soutenue le 15 novembre 2017 pour obtenir le grade de Docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Chimie-Biologie

Résumé :
Le développement de technologies énergétiques, alternatives à la combustion des ressources fossiles, est un enjeu majeur pour réduire l’émission des gaz à effet de serre et développer une économie durable. Dans cette optique, les piles à combustible à membrane échangeuses de protons (PEMFC) utilisent le platine en tant que catalyseur pour transformer l’énergie chimique en énergie électrique, en réduisant l’oxygène de l’air en eau et en oxydant l’hydrogène en protons. Dans la nature, les enzymes à cuivre et les hydrogénases catalysent respectivement ces réactions. Ces dernières, ainsi que des complexes bio-inspirés de leur site actif, ont été envisagés en tant qu’alternatives au platine, métal noble et coûteux. Ainsi, un complexe mononucléaire bis-diphosphine de nickel renfermant des acides aminés arginines en troisième sphère de coordination a été immobilisé sur une matrice de nanotubes de carbone (NTC). Cette anode a démontré d’excellentes performances pour oxyder l’hydrogène avec des densités de courant élevées et sur une large gamme de pH. Son utilisation dans une PEMFC a permis d’obtenir une densité de puissance de 15 mW.cm^-2, seulement cinq fois inférieure à celle d’une pile classique à base de platine préparée dans les mêmes conditions. Concernant la catalyse de réduction de l’oxygène, des méthodes covalentes ont été développées pour réaliser la connexion électronique directe de laccase de Trametes sp C30, ainsi qu’un mutant de cette enzyme sur matrice de NTC L’association du catalyseur de nickel avec une cathode à base de bilirubine oxydase immobilisée sur NTC a permis de proposer un nouveau concept de pile hybride enzymatique/bio-inspirée. Une densité de puissance de l’ordre de 1,8 mW.cm^-2 et une force électromotrice proche de 1V ont ainsi été mesurées pour cette pile sans métaux nobles. Le greffage de complexes de cuivre mono- et dinucléaires, bio-inspirés du site actif d’enzymes à cuivre et actifs vis-à-vis de la réduction de l’oxygène a enfin permis d’élaborer la première pile H2/air ne renfermant que des catalyseurs moléculaires et sans métaux nobles. Cette dernière délivre une densité de puissance de 160 µW.cm^-2.

Jury :
Rapporteur : M. Stéphane Campidelli
Rapporteur : M. Nicolas Plumere
Examinateur : Mme Carole Duboc
Examinateur : M. Thierry Tron
Membre : M. Alan Le Goff
Directeur de thèse : M. Vincent Arteo

Mots-clés :
Electrocatalyse, Oxydation de H₂, Réduction de O₂, Enzymes, Fonctionnalisation de nanotubes de carbone, Piles à combustible

Télécharger la thèse.