Electronic transfer within a microbial fuel cell. Better understanding of Experimental and Structural Parameters at the Interface between Electro-active Bacteria and Carbon-based Electrodes
Transfert électronique au sein d'une pile à combustible microbienne. Compréhension des Paramètres Expérimentaux et Structuraux à l'Interface entre une Bactérie électro-active et une Electrode carbonée
Résumé
Microbial fuel cells (MFC) are a type of fuel cells based on bacteria as biologic catalysts. By the metabolism of organic compounds, these micro-organisms produce and transfer electrons to a conductive matrix. The objective of this study is to evaluate the impact of working conditions and structural parameters on the biofilm formation and the electrochemical behaviour of electroactive bacteria. By optimising the bacterial growth of Shewanella oneidensis strain in semi-aerobic condition, various working condition was evaluated to better understand the interaction between a carbon felt (CF) electrode and the bacteria. It appears that the bacterial state of growth influences the electron transfer of the cells, as well as the electrolyte nature. The effect of the anodic polarization was evaluated by applying various poised potential between -0.3 V and 0.5 V in both single and dual-chamber MFC. This study leads to the conclusion that bacteria are more sensible to highly positive potential in membrane-less MFC. On the contrary, in dual-chamber reactors, both positive and negative potential leads to the formation of different biofilm architectures. Then, an artificial biofilm was created by incorporating bacteria encapsulated into a silica gel into a CF. The electrochemical behaviour of bacteria seems sensible to the tightness of the silica network. Finally, by the electrospinning of polyacrylonitrile solution and then the annealing of the fiber mat, an electrode with micro-scaled carbon fibers was produced. The use of this electrode as an anode in a MFC leads to an increase of the MFC performance and more specially of the anodic current density by a factor 10 to 100.
Les biopiles microbiennes (PACB) sont un type de pile à combustible utilisant des bactéries comme catalyseurs. Par la métabolisation de matières organiques, les bactéries produisent et transfèrent des électrons à une matrice conductrice. Les matériaux carbonés, comme les feutres de carbone (fibres de 10 µm de diamètre) sont adaptés comme matériau anodique. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’effet des paramètres expérimentaux et structuraux sur la formation du biofilm et sur le comportement électrochimique d’une bactérie électro-active à la surface d’une électrode. Suite à l’optimisation de la croissance de Shewanella oneidensis en condition de semi-aérobie, l’effet de la présence d’oxygène, de l’état de croissance de la bactérie et de la nature de l’électrolyte sur le transfert électronique, ont été évalué. La polarisation de l’anode a des potentiels compris entre -0.3 et 0.5 V conduit à deux conclusions : (i) Les bactéries sont plus sensibles a des potentiels positifs élevés en réacteur mono-compartiment. (ii) En PACB à deux compartiments, les potentiels négatifs et positifs conduisent à deux structures de biofilm différentes. Un biofilm artificiel a été conçu en encapsulant des bactéries dans une gel de silice incorporé dans un feutre de carbone. Il apparait que le transfert électronique des bactéries encapsulées varie en fonction de la rigidité du réseau de silice. Finalement, par l’electrospinning d’une solution de PAN et le traitement thermique de la membrane obtenue, une électrode formée de fibres micrométriques a été conçue. Son utilisation en PACB conduit à une augmentation des performances de la biopile. Le courant anodique augmente d’un facteur 10 à 100.
Domaines
Matériaux
Origine : Version validée par le jury (STAR)