Qu'est-ce qu'une pile à biocarburant?
Une pile à biocarburant est un appareil qui utilise des matériaux biologiques pour générer de l’électricité de manière directe par le biais de réactions redox. Cela contraste avec l'utilisation conventionnelle de biocarburants pour générer de l'électricité à partir de la chaleur fournie par la combustion du matériau. Le principe de la technologie des biocarburants consiste à imiter divers processus naturels utilisés pour produire de l'énergie au sein d'organismes vivants. Dans certains cas, les bactéries peuvent jouer un rôle dans ces piles à combustible. Depuis 2011, les biocarburants montrent un potentiel en tant que source d'énergie alternative et dans diverses applications médicales et de la bio-ingénierie.
Les organismes vivants tirent leur énergie de l'oxydation des glucides générés par la photosynthèse chez les plantes et ingérés comme nourriture par les animaux. Les enzymes facilitent les réactions, dans lesquelles les glucides sont convertis en dioxyde de carbone et en eau par élimination des électrons, qui sont ensuite stockés dans des molécules d’adénosine triphosphate (ATP). Dans une biopile, les électrons produits par l'oxydation de molécules organiques - généralement des glucides, comme chez les organismes vivants - sont utilisés pour générer un courant électrique. L’idée d’utiliser ces processus biologiques pour produire de l’électricité existe depuis les années 60, mais les premières tentatives de construction d’une pile à biocarburant fonctionnelle et fonctionnelle rencontraient des difficultés.
Une pile à biocarburant est généralement constituée d’un conteneur divisé en deux sections par une barrière perméable. Dans une section, l'oxydation d'un hydrate de carbone - par exemple, le glucose - fournit des électrons. Dans l'autre section, une réaction de réduction a lieu, qui utilise ces électrons. En connectant les deux électrodes, un courant peut être créé entre l'électrode de la section d'oxydation - l'anode - et l'électrode de la section de réduction - la cathode.
L'un des principaux problèmes pratiques qui entravent le développement des cellules à biocarburants consiste à trouver un moyen efficace de faire passer les électrons libérés par l'hydrate de carbone dans l'anode. Les électrons sont initialement stockés dans l'enzyme oxydante et seraient, dans le processus naturel, transférés chimiquement dans des molécules d'ATP. Il existe deux méthodes possibles pour extraire des électrons de l'enzyme dans l'anode d'une biopile.
Dans la méthode de transfert électronique direct (DET), l'enzyme doit être liée à l'anode. Cela peut être fait chimiquement ou par d’autres méthodes, telles que la construction de l’anode à partir d’un maillage de nanotubes de carbone sur lequel l’enzyme est adsorbée. Ces méthodes entraînent une réduction de l'activité de l'enzyme et une perte d'efficacité, mais il s'agit au moment de la rédaction du présent document d'un domaine de recherche en cours et de techniques améliorées.
L’autre méthode de transfert d’électrons est connue sous le nom de transfert électronique par médiation (MET). Cela ne nécessite pas que l'enzyme soit en contact avec l'anode; au lieu de cela, les électrons sont passés à une autre molécule avec un potentiel rédox plus bas, qui cède ensuite les électrons à l'anode. Ce composé, appelé médiateur, doit également avoir un potentiel rédox supérieur à celui de l'anode. Cette étape supplémentaire implique une perte d'énergie et la pile à combustible est donc en pratique moins efficace qu'elle ne le serait en théorie.
Les biocarburants sont un domaine de recherche active et diverses solutions possibles à ces problèmes sont à l’étude. Parmi les possibilités, il y a l'utilisation de bactéries dans les piles à combustible microbiennes. Les bactéries réduisant le fer qui vivent dans des conditions anaérobies sont particulièrement prometteuses car elles réduisent naturellement le fer dans son état d'oxydation +3 à son état d'oxydation +2. Le fer peut alors céder un électron à l'anode, revenir à son état +3 et agir comme une molécule médiateur naturel en transférant des électrons des bactéries à l'anode.
Les principaux avantages des piles à biocarburants sont qu’elles ne polluent pas, ne nécessitent pas de catalyseurs coûteux et utilisent des matières premières communes, peu coûteuses et facilement renouvelables. Les principaux inconvénients des piles à biocarburants sont leur inefficacité et leur faible puissance. À partir de 2011, on espère toutefois que ces problèmes pourront être résolus, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives. Celles-ci incluent non seulement une énergie bon marché, propre et renouvelable, mais également la perspective de cellules de biocarburant implantées, fonctionnant sur des substances produites par le corps, utilisées pour alimenter des appareils médicaux tels que des stimulateurs cardiaques.