Design, synthesis and characterization of a bioanode for microbial fuel cell / Jérémie-Luc Sanchez ; sous la direction de Christel Laberty-Robert

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : anglais / English

Catalogue Worldcat

Électrochimie

Matériaux

Microbiologie

Énergies renouvelables

Sources d'énergie bioélectrique -- Dissertation universitaire

Laberty-Robert, Christel (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Piro, Benoît (Président du jury de soutenance / praeses)

Guyot, François (1962-....) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Larcher, Dominique (19..-.... ; chimiste) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Perrot, Hubert (19..-.... ; spécialiste d'interfaces et électrochimie) (Membre du jury / opponent)

Université Paris Cité (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : L’urgence climatique rend plus que jamais incontournable le développement de sources d’énergie propres. Fondés sur les travaux que M. C. Potter mena en 1911, un nombre croissant de chercheurs se sont intéressés à la possibilité d’utiliser des microorganismes pour produire de l’électricité, et ont démontré que ce projet est réalisable. De tels dispositifs, les piles à combustibles microbiennes (PCM), puisent dans l’activité métabolique de bactéries dégradant des molécules organiques, en récupérant les électrons issus de leur respiration. Ces biopiles sont ainsi une source d’énergie renouvelable. Cependant, les modèles existants aujourd’hui doivent être significativement améliorés avant de pouvoir représenter une technologie performante, stable, et profitable. Plusieurs approches existent pour atteindre cet objectif. Par exemple, le transfert électronique entre la bactérie et l’électrode peut être amélioré en travaillant sur la nature du microorganisme ou du consortium bactérien utilisé. Dans ce projet, nous cherchons plutôt à optimiser le matériau et l’architecture d’une anode colonisée par des bactéries au sein d’une PCM. La conception de ce nouveau système est fondée sur l’observation des limites des bioanodes actuellement utilisées.Cette thèse s’intéresse ainsi à la conception d’une bioanode pour pile à combustible microbienne par électrofilage. Ce procédé permet la mise en forme de fibres de polymère nano à micrométriques par extrusion électro-assistée. Ainsi, nous obtenons une membrane de fibres entremêlées que l’on rend conductrice à l’aide de traitements thermiques ou de l’adjonction de particules carbonées. Les électrodes obtenues, adaptées à l’échelle bactérienne, sont ensuite colonisées par la bactérie électroactive Shewanella oneidensis. Cette étape est accomplie soit en laissant un biofilm se développer (in situ ou ex situ), soit en encapsulant les bactéries dans des fibres cœur-coquille. Par la suite, les bioanodes sont intégrées dans un montage de biopile pour évaluer leurs performances et caractéristiques électrochimiques. Les électrodes développées sont alors comparées aux performances mentionnées dans la littérature et montrent de remarquables densités volumiques de puissance et de courant (jusqu’à 3,26•103 A•m 3 et 296 W•m 3 contre 2,08•103 A•m 3 et 500 W•m 3 pour des réacteurs optimisés dans des conditions similaires (Ringeisen et al., 2006)). Un procédé basé sur la cryodessiccation et visant la conservation à long terme des électrodes conçues est aussi présenté. Enfin, les bioanodes développées sont utilisées pour produire de l’électricité à partir de véritables eaux usées. De même, leurs performances sont évaluées et sont encourageantes (4,4•10(3) A•m(-3) et 438 W•m(- 3))

Résumé / Abstract : Amidst anthropogenic climate change, alternatives to fossil fuel power sources must be developed. Originating in an observation by M. C. Potter dating back from 1911, increasing research has shown that the idea of harvesting the metabolic activity of microorganisms to generate electricity is realistically achievable. These devices, microbial fuel cells (MFC), focus on converting chemical energy from organic matter into electricity by gathering electrons produced by bacteria degrading these molecules. Such fuel cells may be used as renewable energy sources but a lot of challenges need to be addressed before they become an efficient, stable and profitable technology. Various approaches to tackle these problems exist. For instance, the electronic transfer between the bacterium and the electrode can be improved by working on the organism or the consortium used to degrade the organic matter. Here we seek to improve the material and the architecture of the electrochemical system and especially those of the bacteria-colonized anode. We start from the observations of the limitations of the current electrodes for MFCs to design a better system.This work focuses on the conception of the bioanode of a microbial fuel cell by electrospinning. This process allows the shaping of nano to micro-scaled polymer fibers through electrically-assisted extrusion. We obtain nonwoven mats of polymer fibers which are made conductive by subsequent heat treatments or by the addition of carbon-based materials. The colonization of these electrospun membranes by the model electroactive bacteria Shewanella oneidensis is conducted through diverse approaches: natural biofilm development – either in situ or ex situ – or core-shell encapsulation. Once prepared, the anodes are then integrated into a functional lab-scale fuel cell in order to evaluate their electrochemical characteristics. The impact of the colonization of these conductive electrodes on the electrochemical performances of a full MFC is then discussed. The performances of the novel architectures are assessed and compared with the literature and exhibit remarkable volume-normalized current and power outputs – up to 3.26•103 A•m 3 and 296 W•m 3 vs. 2.08•103 A•m 3 and 500 W•m 3 for optimized reactors with the same electrolytes and bacteria (Ringeisen et al., 2006). A long-term storage method of the bioanodes based on cryodesiccation is henceforth presented. Eventually, the electrodes developed in this work are integrated into an MFC setup including real effluents from wastewaters. Their performances in current generation from an actual power source are investigated and are shown to be encouraging – 4.4•10(3) A•m(-3) and 438 W•m (-3.)