Un prototype de batterie au glucose inspiré du métabolisme du corps humain

Des chercheurs ont annoncé avoir mis au point une batterie alimentée par de la vitamine B2 (riboflavine) et du glucose. S’inspirant de la façon dont le corps humain décompose le glucose en énergie à l’aide d’enzymes, l’équipe a incorporé de la riboflavine dans un prototype de batterie à cellule à flux. Le médiateur riboflavine a aidé à transporter les électrons entre les électrodes de la batterie et l’électrolyte de glucose, générant un flux électrochimique à partir de l’énergie stockée dans le sucre.

« Les piles à flux de riboflavine et de glucose peuvent produire de l’électricité à partir de sources d’énergie naturelles », indique Jong-Hwa Shon, auteur principal de l’étude. « Grâce à l’utilisation de composants non toxiques, peu coûteux et naturellement abondants, ce système offre une voie prometteuse vers un stockage d’énergie résidentiel plus sûr et plus abordable. »

Une pile à flux stocke l’énergie électrochimique dans deux électrolytes qui circulent dans le système. Lorsque des réactions se produisent dans l’électrolyte et au niveau des électrodes, l’énergie chimique stockée se transforme en énergie électrique, et vice versa. Et comme la plupart des plantes contiennent du glucose, ce sucre a le potentiel d’être un électrolyte abondant et peu coûteux comme source d’énergie dans une batterie à flux.

Les prototypes actuels de piles à combustible au glucose nécessitent des catalyseurs en métaux nobles pour décomposer les molécules de sucre afin de produire de l’énergie, mais ces modèles produisent peu d’énergie et sont difficiles à adapter à une utilisation industrielle. La riboflavine s’est révélée prometteuse dans d’autres types de piles à flux comme alternative aux catalyseurs métalliques, car cette vitamine est stable au pH basique requis par les électrolytes dans les piles à flux de glucose. Shon, Ruozhu Feng, Wei Wang et leurs collègues ont donc voulu concevoir une pile à combustible au glucose utilisant la riboflavine comme catalyseur.

Pour la pile, l’équipe a utilisé un matériau à base de carbone pour former les électrodes positive et négative. L’électrolyte circulant autour de l’électrode négative contenait une forme active de riboflavine et de glucose, tandis que l’électrolyte de l’électrode positive comprenait du ferricyanure de potassium ou de l’oxygène (comme dans les piles à combustible classiques) dans une solution à pH basique. Bien que la pile contenant du ferricyanure de potassium ait permis à l’équipe de mesurer avec précision l’activité catalytique de la riboflavine, la pile contenant de l’oxygène est une option plus rentable pour une utilisation pratique à grande échelle.

Le glucose en tant que biocarburant offre des avantages uniques, notamment la production d’électricité à basse température, la facilité d’accès, le faible coût de stockage et l’adaptabilité à la production d’électricité à la demande. La riboflavine, communément appelée vitamine B2, est un composant essentiel des systèmes biologiques, participant à de nombreuses réactions métaboliques en tant que cofacteur enzymatique. En s’inspirant de ces processus métaboliques, nous démontrons une cellule d’écoulement pour la réaction électrochimique d’oxydation du glucose (GOR), en utilisant la riboflavine comme médiateur respectueux de l’environnement pour remplacer les catalyseurs traditionnels à base de métaux nobles. Associée à une électrode O2 dans des conditions alcalines, la cellule à flux de glucose atteint une densité de puissance de pointe de 13 mW/cm2, soit 20 fois plus que la valeur précédemment rapportée dans des conditions similaires. La pile à flux de biocarburant à médiation vitaminique démontrée introduit une nouvelle approche de conception catalytique pour une pile à flux de biocarburant à base de glucose, fournissant une densité de puissance de pointe élevée à température et pression ambiantes. Cette approche garantit un faible coût et une durabilité environnementale, en éliminant le besoin de catalyseurs à base de métaux nobles.

Lors d’une démonstration avec la pile à flux contenant du ferricyanure de potassium, l’équipe a observé des électrons se déplaçant à travers la pile et une densité de puissance à température ambiante comparable à celle des piles à flux existantes utilisant du vanadium métallique. À l’inverse, la pile à flux contenant de l’oxygène présentait des réactions plus lentes au niveau des électrodes que le modèle au ferricyanure de potassium. Les chercheurs expliquent que cela est probablement dû au fait que l’oxygène décompose la riboflavine en présence de lumière, ce qui provoquerait une autodécharge de la batterie. Cependant, la version à oxygène a tout de même démontré une densité de puissance améliorée par rapport aux rapports précédents. Les chercheurs affirment qu’ils prévoient d’améliorer la densité de puissance de la cellule à flux de glucose contenant de l’oxygène en empêchant les réactions lumineuses avec la riboflavine et en affinant l’ingénierie cellulaire.

Article : « Vitamin-Mediated Glucose Flow Cell for Sustainable Power Generation » – DOI : 10.1021/acsenergylett.5c02462

Source : ACS