Un biochar dopé aux métaux pour stimuler la production d’hydrogène propre à partir de déchets agricoles

L’hydrogène est largement considéré comme un vecteur d’énergie propre prometteur, mais le produire efficacement et durablement reste un défi majeur. Une nouvelle étude rapporte qu’un biochar spécialement conçu à partir de déchets agricoles pourrait augmenter considérablement la production de biohydrogène en améliorant le transfert d’électrons par les microbes pendant la fermentation.

La recherche, publiée dans Biochar, présente un composite de biochar modifié par deux métaux qui améliore les interactions électrochimiques microbiennes et augmente considérablement le rendement en hydrogène. Ce travail démontre comment le biochar fonctionnalisé avec du cobalt et du fer peut agir comme un médiateur électronique efficace dans les systèmes de fermentation photoinduite, aidant les micro-organismes à produire de l’hydrogène plus efficacement.

L’hydrogène est attractif comme carburant propre car il possède une densité d’énergie élevée et ne produit que de l’eau lors de sa combustion. Cependant, de nombreux systèmes de production biologique d’hydrogène souffrent d’un transfert d’électrons inefficace au sein des communautés microbiennes, limitant leurs performances.

Pour résoudre ce goulot d’étranglement, les chercheurs ont conçu un nouveau matériau en modifiant du biochar dérivé de paille de maïs avec du cobalt et du fer. Les résidus agricoles comme la paille de maïs sont produits en quantités énormes dans le monde et sont souvent brûlés ou jetés. Convertir ces déchets en biochar fonctionnel crée un matériau durable et à faible coût qui peut soutenir les technologies d’énergie renouvelable.

Selon l’équipe de recherche, la fonctionnalisation à deux métaux a considérablement amélioré la structure et les propriétés électrochimiques du biochar. Le matériau modifié a présenté une surface plus grande et plus de sites actifs pour l’interaction microbienne, ce qui a amélioré le transfert d’électrons pendant le processus de fermentation.

« Notre objectif était d’ingénieriser l’interface électrochimique microbienne pour que les électrons puissent se déplacer plus efficacement entre les microbes et l’environnement », a expliqué l’un des auteurs de l’étude. « En introduisant du cobalt et du fer dans la structure du biochar, nous avons créé des voies conductrices qui permettent aux microbes de canaliser les électrons plus efficacement, ce qui augmente finalement la production d’hydrogène. »

Les expériences en laboratoire ont montré que l’ajout du composite de biochar optimisé au système de fermentation augmentait considérablement la production d’hydrogène. À une concentration optimale de 20 milligrammes par litre, le taux de production d’hydrogène a augmenté de plus de 100 pour cent par rapport au système témoin.

Les tests électrochimiques ont révélé que le biochar fonctionnalisé aux métaux réduisait la résistance au transfert d’électrons au sein du système. Cette conductivité améliorée a permis au matériau de fonctionner comme une navette électronique, facilitant les réactions redox qui entraînent le métabolisme microbien.

En plus d’améliorer le transfert d’électrons, le biochar modifié a également influencé le comportement de la communauté microbienne. La présence du composite a modifié les voies métaboliques dans le processus de fermentation, favorisant un déplacement vers des voies métaboliques qui favorisent la génération d’hydrogène. L’analyse microbienne a montré une plus grande abondance de bactéries productrices d’hydrogène comme Clostridium dans le système traité.

La structure poreuse du biochar ingéniéré a également fourni des surfaces favorables à l’adhésion et à la croissance microbiennes. Ces microenvironnements aident à stabiliser l’activité microbienne et améliorent encore l’efficacité métabolique pendant la fermentation.

Les chercheurs affirment que ces résultats démontrent une stratégie évolutive pour améliorer la production d’hydrogène renouvelable en utilisant des matériaux peu coûteux dérivés de déchets agricoles.

« Ce travail montre que des matériaux de biochar soigneusement conçus peuvent surmonter le goulot d’étranglement du transfert d’électrons dans les systèmes microbiens », ont noté les auteurs. « En combinant des ressources de biomasse durables avec l’ingénierie avancée des matériaux, nous pouvons ouvrir de nouvelles voies pour une production d’hydrogène efficace et respectueuse de l’environnement. »

L’équipe croit que cette approche pourrait aider à faire progresser les technologies du biohydrogène dans le cadre des futurs systèmes d’énergie propre. Avec un développement ultérieur, le biochar fonctionnalisé aux métaux pourrait fournir une solution rentable pour améliorer les processus de conversion d’énergie microbienne tout en transformant les déchets agricoles en matériaux précieux. 

Article : Engineering the microbial-electrochemical interface: synergistic of co-fe nano biochar composites for enhanced electron channelling to alter the metabolic pathway in light-driven biohydrogen production – Journal : Biochar – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : BEO Shenyang Agriculture U.