THÈSE

pour l’obtention du Grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE POITIERS (Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées)

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École Doctorale : Sciences pour l’Environnement - Gay Lussac Secteur de Recherche : Chimie Théorique, Physique, Analytique

Présentée par :

Pradel TONDA-MIKIELA

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ÉTUDE DES INTERFACES DES NANOCATALYSEURS / GLUCOSE ET ENZYMES / O2 POUR UNE APPLICATION BIOPILE

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Directeur de Thèse : Boniface Kokoh Codirecteurs de Thèse : Karine Servat et Teko Napporn

************************ Soutenue le 11 décembre 2012 devant la Commission d’Examen

************************ JURY

Pierre GROS Professeur, Rapporteur

Université Paul Sabatier de Toulouse

Eric SIBERT Chargé de Recherche au CNRS,-HDR, Rapporteur Université de Grenoble

Hyacinthe RANDRIAMAHAZAKA Professeur, Examinateur Université Paris 7

Sophie TINGRY Chargée de Recherche,-HDR, Examinateur Université de Montpellier 2

Jean-Michel LÉGER DR au CNRS, Examinateur Université de Poitiers

K. Boniface KOKOH Professeur, Examinateur Université de Poitiers

Karine SERVAT Maître de Conférences, Examinateur Université de Poitiers

Teko W. NAPPORN Chargé de Recherche au CNRS, Examinateur Université de Poitiers

Remerciements

Ce travail a été réalisé à l’Institut de Chimie des Milieux et des Matériaux de Poitiers

(UMR-CNRS 7285), dirigé par Madame Sabine Petit.

Avant de présenter les travaux de ce manuscrit, je tiens à remercier celles et ceux, de près ou

de loin, qui m’ont permis de réaliser ce travail.

Je remercie tout d’abord Messieurs Jean-Michel Léger, ancien directeur du LaCCO et

Boniface Kokoh responsable de l’équipe « E-lyse» de m’avoir accepté au sein de cette équipe

et de m’avoir si bien accueilli.

Mes sincères remerciements s’adressent cette fois à mes encadrants Monsieur

Boniface Kokoh mon Directeur de thèse, Karine Servat et Teko Napporn, mes co-directeurs

de thèse, pour m’avoir encadré durant ces trois années. Leur disponibilité constante à mon

égard, leur soutien, les conseils pratiques et personnels, leur rigueur scientifique, leur

pédagogie et leur aide précieuse ont permis à ce travail d’aboutir.

Je tiens aussi à exprimer mes remerciements à toute l’équipe « E-Lyse » : Claudia

Gomes De Morais, Nicolas Alonso-Vante, Christophe Coutanceau, Stève Baranton, Jean

Christophe Guillon, Aurélien Habrioux.

Je remercie également l’ANBG (Agence Nationale des Bourses du Gabon) pour le

soutien financier durant mes deux premiers cycles universitaires ainsi que la Région Poitou-

Charentes pour m’avoir octroyé une allocation me permettant ainsi d’effectuer cette thèse

durant ces trois ans.

Je remercie chaleureusement les doctorants de l’équipe et amis de l’IC2MP : Patrick,

Nurcan, Désiré, Paulin, Mario, Seydou, Jiwei, Thomas, Anna, Yaovi, Francis, Charly, Idalina,

Laurisse, et tous les autres qui auront la gentillesse de m’excuser d’avoir oublié de les citer.

Je remercie aussi toute la communauté gabonaise et les amis de Poitiers, en particulier

Maïllys, Prisca, Samy, Galiciat, Michel, Emile, André et Anne Marie Taxier, pour leur amitié

et leur présence ainsi qu’à tous les membres de la chorale MRC de Poitiers.

Je tiens également à remercier très chaleureusement toute ma famille pour leur soutien

moral et financier et pour leur amour, tout particulièrement à mon père TONDA-MIKIELA et

ma maman TONDA SONGA Philomène.

Sommaire

GLOSSAIRE .................................................................................................................................. 1

INTRODUCTION .......................................................................................................................... 5

I. Etude bibliographique ............................................................................................................. 9

I. 1. Introduction ..................................................................................................................... 9

I. 2. Oxydation du glucose .................................................................................................... 10

I. 2. 1 Oxydation du glucose sur les matériaux nobles ..................................................... 11

I. 2. 2 Oxydation du glucose sur les nanoparticules de platine........................................ 14

I. 2. 3 Oxydation sur les nanoparticules d’or ................................................................... 15

I. 2. 4 Oxydation du glucose sur les nanoparticules AuPt ................................................ 15

I. 3 Différentes méthodes de synthèse de nanomatériaux.................................................. 16

I. 3. 1 La méthode polyol de synthèse des nanoparticules .............................................. 16

I. 3. 2 La synthèse « water in oil microemulsion » ........................................................... 17

I. 3. 3 Synthèse par la méthode dite Slot ......................................................................... 19

I. 3. 4 Autres méthodes de synthèses .............................................................................. 20

I. 4. Réduction enzymatique de l’oxygène moléculaire ....................................................... 20

I. 5. Techniques d’immobilisation des enzymes ................................................................... 22

I. 5. 1 Emprisonnement dans une matrice de polypyrrole .............................................. 23

I. 5. 2 Immobilisation de l’enzyme par adsorption .......................................................... 25

I. 5. 3 Immobilisation de l’enzyme par greffage covalent ................................................ 25

I. 6 Réduction enzymatique d’O2 par la laccase ................................................................... 26

I. 6. 1 Transfert direct d’électrons .................................................................................... 26

I. 6. 2 Transfert indirect d’électrons ................................................................................. 27

I. 7 Réduction enzymatique d’O2 par la Bilirubine oxydase (BOD) ...................................... 28

I. 7. 1 Le transfert direct d’électrons ................................................................................ 29

I. 7. 2 Le transfert indirect d’électrons ............................................................................. 29

I. 8 Les biopiles Glucose /O2 ................................................................................................. 30

I. 9. Conclusion et stratégie envisagée ................................................................................. 32

II. Techniques et méthodes expérimentales ............................................................................ 37

II. 1 Nettoyage de la verrerie ................................................................................................ 37

II. 2 Caractérisation électrochimique ................................................................................... 39

II. 2. 1 Caractérisation électrochimique par voltammétrie cyclique à variation linéaire de potentiel ........................................................................................................................... 39

II.2. 3 Electrode à disque et anneau tournants (EDAT) .................................................... 40

II. 3. La spectroscopie infrarouge in situ à transformée de Fourier ..................................... 41

II. 4 CO stripping ................................................................................................................... 44

II. 5. Caractérisation physique des nanomatériaux synthétisés. ......................................... 45

II. 5. 1 La diffraction des rayons X en transmission (DRX) ................................................ 45

II. 5. 2 La Microscopie Electronique à transmission MET................................................. 46

II. 5. 3 L’Analyse Thermique Différentielle et Gravimétrique (ATD-ATG) ........................ 47

II. 5. 4 Analyse par Chromatographie Liquide Ionique Haute Performance (CLIHP) ....... 47

II. 6. Conclusion .................................................................................................................... 48

III. Synthèse et caractérisations des nanoparticules à base d’or et de platine ....................... 53

III. 1. Synthèse de nanoparticules d’or, de platine et or-platine ......................................... 53

III. 2 Caractérisation physicochimique des nanoparticules monométalliques d’or, de platine et des matériaux bimétalliques or-platine ............................................................... 55

III. 2. 1 Les catalyseurs monométalliques ........................................................................ 55

III. 2. 2 Nanoparticules de platine .................................................................................... 55

III. 2. 2. 1 Caractérisations physiques ............................................................................... 55

III. 2. 2. 2 Caractérisations électrochimiques ................................................................... 57

III. 2. 3 CO stripping sur Pt/C ............................................................................................ 60

III. 3. Nanoparticules d’or ..................................................................................................... 62

III. 3. 1 Caractérisation physique des nanoparticules Au/C ............................................. 62

III. 3. 2 Caractérisation électrochimique des nanoparticules de Au/C ............................ 63

III. 3. 3 CO stripping sur les nanoparticules Au/C. ............................................................ 65

III. 4 Les catalyseurs bimétalliques AuPt .............................................................................. 66

III. 4. 1 Caractérisations physiques des catalyseurs AuPt ................................................ 66

III. 4. 2 Caractérisation électrochimique. ......................................................................... 70

III. 4. 3 CO stripping sur les catalyseurs bimétalliques AuPt ............................................ 73

III. 5. Analyse par spectroscopie FTIR in-situ ........................................................................ 74

III. 5. Conclusion. .................................................................................................................. 79

IV. Oxydation du D-glucose sur des catalyseurs abiotiques à base d’or et de platine ............ 83

IV. 1. Oxydation du glucose en milieu alcalin. ...................................................................... 83

IV. 2. Allure des voltammogrammes sur les différents catalyseurs utilisés au cours de l’oxydation du glucose .......................................................................................................... 83

IV. 3. Influence de la température sur l’oxydation de la molécule de glucose. ................... 86

IV. 4. Etude par spectroscopie IR de réflexion in situ de l’électrooxydation du .................. 89

IV. 4. 1 Oxydation du glucose sur l’électrode de Pt/C ...................................................... 89

IV. 4. 2 Oxydation du glucose sur l’électrode de Au/C ..................................................... 92

IV. 4. 3 Oxydation du glucose sur les catalyseurs bimétalliques ...................................... 93

IV. 5. Oxydation du glucose en milieu tampon phosphate pH 7,4 ...................................... 96

IV. 5. 1 Présentation des voltammogrammes des nanomatériaux d’électrode en milieu tampon phosphate ........................................................................................................... 96

IV. 5. 2 Effet de la température sur l’oxydation du glucose sur les catalyseurs Au/C, Pt/C, Au70Pt30/C et Au50Pt50/C ................................................................................................... 97

IV. 6. Conclusion ................................................................................................................. 100

V. Réduction enzymatique de la molécule de dioxygène par la bilirubine oxydase .............. 105

V. 1. Electroréduction de la molécule d’oxygène par la bilirubine oxydase (BOD) ........... 105

V. 1. 1 Etude voltammétrique de l’acide 2,2’-azinobis-3-éthylbenzothiazoline-5-sulfonique (ABTS) en milieu tampon phosphate. .......................................................... 105

V. 1. 2 Etude voltammétrique du complexe d’osmium : [Os(4,4’-dichloro-2,2’-bipyridine)2(4-aminomethyl-pyridine)Cl]PF6 .................................................................. 107

V. 2 Immobilisation de la BOD et du médiateur dans une matrice de Nafion® ................. 108

V. 3 Comparaison des biocathodes et d’une cathode de platine pour la réduction d’O2 . 109

V.3.1 Etude sur une électrode à disque tournant .......................................................... 109

V.3.2 Etude sur une électrode à disque et anneau tournants ....................................... 111

V. 4. Conclusion .................................................................................................................. 113

CONCLUSION GÉNÉRALE ........................................................................................................ 117

Références Bibliographiques .................................................................................................. 121

GLOSSAIRE

Acide 2,2-azinobis-3-éthylbenzothiazoline-5-sulfonique………………………………...ABTS

Acide Hydroquinone Sulfonique…………………………………………………………. HQS

Analyse Thermogravimétrique…………………………………………………………….ATG

Bilirubine Oxydase………………………………………………….……………………..BOD

Biofuel cell………………………………… ……………………….……………………..BFC

Borohydrure de sodium………………………………………………………………….NaBH4

Bromure de tétraoctylamonium…………………………………………………………..TOAB

Diffraction des rayons X……………………………………………...……………………DRX

Dodécanthiol…………………………………………………………..……………………..DT

Electrode au Calomel saturée…………………………………………...………………….ECS

Electrode au chlorure d’argent…………………………………..…...……………Ag/AgCl/Cl-

Electrode Normale à Hydrogène………………………………………….………………..ENH

Electrode Réversible à Hydrogène………………………………………...……………….ERH

Flavine adénine déshydrogénase……………………………………………...……………FAD

Glucose déshydrogénase…………………………………………………………………..GDH

Glucose oxydase……………………………………………………………….…………..GOD

Microfuel cell……………………………………………………………………………...MFC

Microscope électronique en transmission………………………………………………….MET

Méthode échange d’anions……………………………...…………………………………MEA

Nicotinamide adénine dinucléotide………………………………………………………..NAD

Polyacrylamide………………………………………………..……………………………PAA

Polyvinylimidazole pyrrolidone………………………………..…………………………..PVP

Spectroscopie de dispersion d’énergie de rayon X ………………………………………..EDX

INTRODUCTION

5

INTRODUCTION

La demande croissante en énergie ces dernières décennies a conduit plusieurs équipes de

recherche à se pencher sur d’autres moyens de production d’énergie sans attendre

l’épuisement programmé des énergies fossiles. L’utilisation de ressources énergétiques telles

que l’hydrogène et des combustibles renouvelables permet de développer des piles à

combustible plus respectueuses de l’environnement. Selon le type de combustible, on peut

envisager de nombreuses applications stationnaires ou mobiles. Le glucose est un combustible

non toxique, facile à stocker, disponible à grande échelle car issu de la biomasse. Le concept

de biopile trouve son appellation lorsque l’un des catalyseurs la constituant est d’origine

biologique. On peut classer les biopiles en trois groupes :

La pile microbienne ou Microfuel cell (MFC) qui utilise différents types de bactéries,

La biopile à combustible ou biofuel cell (BFC) qui fonctionne avec des enzymes à

l’anode et à la cathode

La biopile hybride dont l’une des électrodes est constituée d’un catalyseur

enzymatique et l’autre d’un matériau abiotique. Dans la plupart des cas, c’est la

réaction cathodique qui est catalysée par une enzyme (bilirubine oxydase ou laccase)

car cette dernière permet de réduire l’oxygène moléculaire en eau sans intermédiaire

réactionnel (H2O2).

C’est sur ce dernier type de pile à combustible que porte cette thèse.

Le travail présenté se décompose en cinq grandes parties :

Dans le premier chapitre, un état de l’art va détailler les différents travaux traitant de

l’oxydation de la molécule de glucose sur les catalyseurs enzymatiques et abiotiques ainsi que

les diverses méthodes de synthèse des nanomatériaux. La réaction de réduction de l’oxygène a

été très largement étudiée dans la littérature car elle représente un verrou scientifique à lever

pour la fabrication des piles à combustible. Dans ce chapitre bibliographique, seule la catalyse

enzymatique sera envisagée. Les différentes techniques d’immobilisation des enzymes à la

surface d’un support conducteur seront abordées. Pour clore ce chapitre, un bilan des

performances des biopiles glucose/Oxygène sera exposé.

Les différentes techniques et méthodes expérimentales utilisées dans ce travail de thèse

seront présentées dans le deuxième chapitre.

6

Le troisième chapitre développe la nouvelle méthode de synthèse des nanoparticules

« Méthode par Echange d’Anions ». Elle permettra de préparer sans apport de surfactant

organique des catalyseurs mono et bimétalliques à base de platine et d’or.

Le chapitre IV concerne l’oxydation électrocatalytique du combustible glucose sur les

matériaux d’électrodes abiotiques.

L’étude de la réaction de réduction de l’oxygène moléculaire sur la bilirubine oxydase

(BOD) en présence de médiateur, soit l’ABTS, soit le complexe d’osmium, constituera le

cinquième chapitre.

Pour finir, une conclusion générale sera présentée ainsi que les perspectives relatives à

cette étude.

8

CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

9

I. Etude bibliographique

I. 1. Introduction

Une pile Glucose/Oxygène utilise le glucose comme combustible et l’oxygène

moléculaire comme comburant pour convertir l’énergie chimique de la réaction en énergie

électrique.

L’oxydation du glucose peut mettre théoriquement en jeu 24 électrons permettant sa

transformation en dioxyde de carbone (CO2) [1, 2]. Grâce à un enchaînement par cascade de six

enzymes (glucose déshydrogénase, glucose 2-déshydrogénase, aldolase, alcool

déshydrogénase, aldéhyde déshydrogénase, oxalate oxydase), Shuai Xu et col. [3] ont mis en

évidence l’oxydation du glucose en CO2 en faible quantité ; ce qui se traduit par des faibles

densités de puissance 6,74 µW.cm-2. En général le produit d’oxydation du glucose est l’acide

gluconique quel que soit le catalyseur utilisé (Enzymatique ou abiotique).

• A l’anode, la réaction envisagée est l’oxydation du glucose en acide gluconique qui se

fait en deux étapes :

1ère étape : Oxydation du glucose en gluconolactone :

C6H12O6 → C6H10O6 + 2 H+ + 2 e-

2ème étape: Hydrolyse spontanée de la gluconolactone en acide gluconique:

C6H10O6 + H2O → C6H12O7

• A la cathode, la réaction visée est la réduction de l’oxygène moléculaire en eau avec

un échange de 4 électrons:

O2 + 4 H+ + 4 e- → H2O

Toutefois suivant le catalyseur utilisé, cette réaction peut conduire à la production de

peroxyde d’hydrogène :

O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O2

10

• Equation de la pile :

2 C6H12O6 + O2 → 2 C6H12O7

Les réactions anodique et cathodique peuvent être catalysées par des catalyseurs

métalliques ou d’origine biologique. Par conséquent, la notion de biopile sera utilisée

lorsqu’au moins l’un des catalyseurs est d’origine biologique (par exemple une enzyme dans

notre cas).

Figure 1 : Schémas de principe de biopiles : (a) Biopile enzymatique, (b) biopile hybride

I. 2. Oxydation du glucose

L’oxydation du glucose peut se faire suivant deux voies : par voie biologique [4-8] en

utilisant des composés organiques comme catalyseurs tels que les enzymes, les

microorganismes, et par voie métallique. Les enzymes généralement utilisées pour

l’oxydation du glucose sont la glucose oxydase (GOD) et la glucose déshydrogénase (GDH).

Certains travaux ont montré que la GDH engendrait de grandes surtensions au cours de

l’oxydation du glucose. Ces surtensions sont causées par la nécessité d’utiliser le cofacteur

pyridinique car il s’agit d’une enzyme NAD-dépendante [9]. De même, l’utilisation d’une

quinoprotéine glucose déshydrogénase reliée à un cofacteur de pyrroloquinoline quinone a

Comburant

O2

H2O

Combustible

Glucose

Acide gluconique

e-

Cathode Anode

e-

EM EM

E: Enzyme

M: Médiateur

ABTS: Acide 2,2-azinobis -3-éthylbenzothiazoline-5

sulfonique

BOD: Bilirubine oxydase

GOD: Glucose oxydase

HQS: Acide 8-hydroxyquinoline-5-sulfonique hydraté

Comburant

O2

H2O

Combustible

Glucose

Acide gluconique

e-

Cathode Anode

e-

EM Catalyseur

(a)

(b)

11

montré une faible stabilité, limitant son utilisation dans une biopile [10]. Lorsque la réaction

d’oxydation du glucose est catalysée par la GOD, la présence de l’oxygène moléculaire

entraîne la formation de peroxyde d’hydrogène qui est un produit inhibiteur de la GOD [11-

13]. Lorsqu’elle est immobilisée avec la flavine adénine déshydrogénase (FAD) dont le

potentiel redox est de -0,36 V vs. Ag/AgCl à pH 7,2, l’oxydation du glucose s’effectue à -0,46

V vs. Ag/AgCl dans un électrolyte ayant un pH = 7.9 [14]. Sur les catalyseurs abiotiques tels

que le platine, il a été démontré que le processus d’oxydation de la molécule de glucose

débute à très bas potentiels, aux alentours de 0,2 V vs. ERH [15]. Des études récentes ont

présenté une meilleure activité vis-à-vis de l’oxydation du glucose, en utilisant des catalyseurs

métalliques à base de Au-Pt par rapport au catalyseur enzymatique. Par exemple, des

puissances de 30 µW à 0,16 V pour le système constitué de la GOD, contre 72 µW à 0,38 V

pour le système abiotique Au-Pt [16]. Au vu des observations faites sur les catalyseurs

métalliques, ce travail de thèse s’est focalisé sur ces matériaux (or et platine), de l’état massif

à l’état nanométrique.

I. 2. 1 Oxydation du glucose sur les matériaux nobles

Dans les années 80 et 90, les premiers travaux relatifs à l’oxydation de la molécule de

glucose sur les métaux nobles ont été réalisés, notamment sur le platine [15, 17-22] et l’or

[17, 23, 24] massifs. Plusieurs observations ont été faites pour l’oxydation du glucose sur ces

métaux.

• Sur le platine massif, il a été établi que l’oxydation du glucose débutait à très bas

potentiel, soit 0,3 V vs ERH pour une étude menée en milieu tampon phosphate [22]. Ce

résultat fut confirmé plus tard par Kokoh et col. [15] en travaillant dans les mêmes conditions.

Au cours de son processus d’oxydation, la réaction d’oxydation du glucose implique la

déshydrogénation du carbone anomérique [19, 21] existant sous deux formes (α et β). La

forme β-glucose est plus réactive que la forme α-glucose [21, 25]. Cette différence s’explique

par l’orientation géométrique de l’atome d’hydrogène lié au carbone anomérique comme le

montre la figure 2.

12

Figure 2: Représentation des anomères de la molécule du glucose

Au cours de son oxydation que ce soit en milieu acide ou tampon phosphate, le produit

d’oxydation est l’acide gluconique ou la δ-gluconolactone en milieu alcalin [19, 22].

Largeaud et col. [19, 26] ont proposé un mécanisme relatif à l’oxydation du glucose sur

platine massif (figure 3).

Figure 3: Mécanisme d'oxydation du glucose sur le platine massif

Il a aussi été démontré que le platine présentait quelques inconvénients notamment dans

la conception d’une pile glucose/O2 implantable. En effet pour un système implantable, les

ions chlorure présentent un effet inhibiteur vis-à-vis de l’oxydation du glucose par la

formation des liaisons chlorure-métal à la surface du platine [27]. Par ailleurs, le platine

présente une très grande sensibilité à l’empoisonnement dû aux intermédiaires chimisorbés

pendant l’oxydation du glucose. Pour pallier ce problème, la surface de platine a été modifiée

par certains métaux lourds comme le bismuth [28] ou l’oxyde de tungstène (WO3) [29] sous

Anomère α D-(+) glucose Anomère β D-(+) glucose

Carbone anomérique

+ Pt + H+ + e-

Glucose

O

HO

HO

OH

O

OH

+ Pt + H+ + e-

Glucono-δ-lactone

13

forme d’adatomes. Un adatome est un dépôt en sous-tension (underpotentially deposited) dont

le principe consiste à déposer le métal à une valeur de potentiel supérieure au potentiel

thermodynamique de son dépôt massique. Ces nouvelles électrodes modifiées vont présenter

une meilleure électroactivité vis-à-vis de l’oxydation du glucose par rapport au Pt massif seul.

Elles sont ainsi moins sensibles à l’empoisonnement comme si les adatomes s’adsorbaient

préférentiellement sur le platine.

• Les études effectuées sur l’or massif [17] ont montré que l’oxydation du glucose est

très faible ou incomplète en milieu acide, modérée en milieu neutre (tampon phosphate) et

forte en milieu alcalin. Ces auteurs ont également proposé un mécanisme réactionnel

d’oxydation du glucose analogue à celui sur le platine. De plus, Aoun et col. [24] ont mis en

évidence que l’oxydation du glucose est favorisée par l’adsorption des hydroxydes à la

surface de l’or, ce qui a été confirmé par Pasta et col. [30] avec le mécanisme suivant :

Figure 4: Mécanisme d’oxydation de la D-glucose sur l’électrode d’or [30]

Pour améliorer l’activité électrochimique de l’or vis-à-vis de l’oxydation du glucose,

certains auteurs ont modifié la surface par l’ajout d’adatome [23, 24, 31]. Matsumoto et col.

[31] ont obtenu, en ajoutant des adatomes de mercure (Hg) à la surface de l’or, une meilleure

activité en comparaison avec l’électrode d’or massif pour l’oxydation du glucose en milieu

alcalin. De même Aoun et col. [23, 24], travaillant dans les mêmes conditions sur une

électrode de Au(111) modifiée par des adatomes de Cu, Ag, Ru, Pt, Pd and Cd, ont montré

que l’électrode d’or modifiée avec 1/3 de monocouche de Ag présente une meilleure activité

vis-à-vis de l’oxydation du glucose. Elle présente également un potentiel de début

d’oxydation inférieur à celui de l’or massif (-0,65 contre -0,55 V vs Ag/AgCl/KCl(sat)). Les

meilleures performances obtenues par ces auteurs sont dues à l’adsorption abondante des

hydroxydes sur les adatomes de Hg et Ag. Bien que l’or soit, à l’état massif, plus sélectif que

le platine, il a été démontré qu’il présentait une affinité pour l’adsorption des ions chlorures

en milieu neutre conduisant ainsi à son inhibition [30].

14

Au cours de ces dernières années, les métaux nanostructurés ont fait l’objet de plusieurs

recherches grâce à leurs nouvelles propriétés électronique, optique et catalytique. En effet,

dans le domaine nanométrique, les propriétés physique et chimique sont étroitement liées à la

forme et à la taille de particules [32].

I. 2. 2 Oxydation du glucose sur les nanoparticules de platine

L’activité des nanoparticules de platine vis-à-vis de l’oxydation du glucose a été étudiée

par Grace et col. [33]. Ces nanoparticules synthétisées, en utilisant la tetraaniline comme

agent réducteur, présentent une taille moyenne de 18 nm. Au cours de l’étude voltammétrique

pour une concentration de glucose de 10 mmol.L-1 en milieu NaOH 0,1 mol.L-1, le

voltammogramme obtenu présente les mêmes caractéristiques que celui obtenu sur platine

massif. Toutefois sur le platine nanométrique, les densités de courant sont nettement

supérieures à celles obtenues sur platine massif (20 mA.cm-2 contre 6,5 mA.cm-2). Par

ailleurs, en changeant l’agent réducteur par l’hexadecaaniline [34], ils obtiennent des

nanoparticules de taille plus petite (14 nm) et augmentent ainsi les densités de courant

d’oxydation du glucose. Comme pour le platine massif, les nanoparticules de platine sont

également sensibles à l’empoisonnement par les produits d’oxydation.

Dans le but d’améliorer les performances de l’anode de la pile et de minimiser

l’empoisonnement de la surface du platine, des catalyseurs bimétalliques ont été synthétisés.

Ainsi, Cui et col. [35] ont préparé des nanoparticules de Pt-Pb par électrodéposition sur des

nanotubes de carbone. Ces nanomatériaux ont présenté une très bonne activité vis-à-vis de la

détection du glucose dans les conditions physiologiques (pH neutre) pour une concentration

en glucose de 11 mmol.L-1 avec une densité de courant de 17,8 mA.cm-2 et ce, jusqu’à une

limite de 1,8 µM. D’autres matériaux tels que le bismuth, le ruthénium ou l’or ont été associés

à du platine pour former des catalyseurs bimétalliques. En utilisant ces nanomatériaux, Basu

et col. ont montré que les catalyseurs bimétalliques AuPt présentaient une activité plus élevée

au cours de l’oxydation de la molécule de glucose en milieu alcalin [36-38].

15

I. 2. 3 Oxydation sur les nanoparticules d’or

Les travaux menés par Tominaga et col. [39] sur les nanoparticules d’or pour l’oxydation

du glucose en milieu alcalin et en milieu tampon phosphate pH 7, ont montré qu’en milieu

alcalin au potentiel de -0,3 V vs. Ag/AgCl le produit d’oxydation majoritaire est le gluconate.

Par contre pour un potentiel compris entre -0,1 et 0,3 V vs. Ag/AgCl, le produit majoritaire

détecté est la gluconolactone. En synthétisant des matériaux bimétalliques Au-Ag [40], les

auteurs ont montré que ces métaux présentaient un effet de synergie vis-à-vis de l’oxydation

du glucose en milieu alcalin. De plus la composition Au82Ag18 et Au73Ag27 présentent un

potentiel de début d’oxydation inférieur à celui de Au (-0,75 contre -0,65 V vs. Ag/AgCl).

Ces résultats ont été également obtenus par Balcàzar et col. [41, 42] avec des densités de

courant plus élevées sur AuAg (4 mA.cm-2) que sur Au (2,8 mA.cm-2). Habrioux et col. [43]

ont effectué une étude comparative de l’activité des nanoparticules d’or synthétisées suivant

deux méthodes différentes pour l’oxydation du glucose (10 mmol.L-1) en milieu NaOH 0,1

mol.L-1. Les nanoparticules d’or synthétisées par une méthode physique, la pulvérisation au

magnétron, présentent une meilleure activité que celles obtenues par microémulsion qui est

une méthode chimique. L’activité vis-à-vis de l’oxydation du glucose des nanoparticules

obtenues par cette méthode physique dépend fortement du temps de pulvérisation. En effet,

pour un temps de pulvérisation faible (10 s), les particules sont bien dispersées et non

agglomérées. L’agglomération des particules débute avec l’augmentation du temps de dépôt

(30 s) pour atteindre un film d’or à 90 s.

I. 2. 4 Oxydation du glucose sur les nanoparticules AuPt

Les catalyseurs bimétalliques AuPt sont mentionnés dans la littérature comme présentant

une très bonne activité vis-à-vis de l’oxydation de la molécule de glucose. En 2004, Möller et

col. [44] ont montré un effet de synergie de la structure alliée de AuPt sur l’oxydation des

molécules organiques. Les travaux de Comotti et col. [45] ont permis d’observer que l’activité

de ces catalyseurs présente un taux de conversion du glucose en acide gluconique plus élevé

que sur le catalyseur nanométrique à base de platine. Jin et col. [46] ont réalisé l’oxydation du

glucose en milieu alcalin sur une électrode d’or et une autre à base de nanoparticules AuPt.

Au cours de cette oxydation, l’électrode AuPt présente des densités de courant deux fois plus

16

élevées et un potentiel de début d’oxydation très bas ( -0,7 V contre -0,35V vs. Ag/AgCl pour

Au). Habrioux et col. [16, 47], travaillant dans des conditions physiologiques, obtiennent pour

les nanoparticules bimétalliques AuPt des meilleurs résultats en termes de densité de courant

et de densité de puissance vis-à-vis de l’oxydation du glucose. Basu et col. [48] ont aussi

énoncé que les nanoparticules Au-Pt sont capables d’oxyder la molécule de glucose à bas

potentiel, comme le platine, avec des densités de courants plus élevées que sur l’électrode à

base d’or. Cela se traduit, comme pour le platine, par la déshydrogénation du carbone

anomérique de la molécule du glucose. L’or quant à lui, permettrait de minimiser

l’empoisonnement du platine au cours du processus d’oxydation.

Pour mieux comprendre la relation entre Au et Pt dans le catalyseur bimétallique Au-Pt,

il est nécessaire de faire une étude de sa structure. Mott et col. [49] ont conclu qu’il y a un

effet de synergie entre l’or et le platine de composition nanométrique. Bus et col. [50]

précisent que la réactivité de ces nanomatériaux peut s’expliquer par les échanges

électroniques entre l’orbitale 5d de l’or et l’orbitale 5d du platine, affectant ainsi leurs

énergies de bandes de valence. Il a été par ailleurs démontré que lorsque ces nanomatériaux

avaient une teneur élevée en or, ils présentaient des propriétés d’alliages et un effet

d’enrichissement de surface en platine pour de faibles teneurs en or [51].

I. 3 Différentes méthodes de synthèse de nanomatériaux

Les résultats présentés précédemment sont issus de nombreuses méthodes de synthèse qui

vont être détaillées dans le paragraphe ci-dessous.

I. 3. 1 La méthode polyol de synthèse des nanoparticules

La méthode de synthèse par polyol a été décrite dans la littérature dès 1989 par Fievet et

col. [52]. Elle permet la réduction des sels métalliques par l’éthylène glycol comme le

résument les équations suivantes :

17

CH2OH-CH2OH ↔ CH 3-CHO + H2O déshydrogénation (Éq 1)

CH2OH-CH2OH + 2 OH- ↔ CH2O--CH2O

- + H2O pKa = 6,5 (Éq 2)

MO2 + 4 CH3-CHO → M + 2 CH 3-CO-CO-CH3 + H2O (Éq 3)

L’éthylène glycol présente deux fonctions alcool primaire. D’une part, il sert de solvant

pour la dissolution du sel en milieu alcalin conduisant à la formation d’une phase

intermédiaire (hydroxydes et / ou oxyde de métal). D’autre part, il permet la réduction des

ions métalliques en se transformant en aldéhyde (équation 3).

Plusieurs métaux ont ainsi pu être synthétisés par cette méthode. Viau et col. [53] ont

dans un premier temps synthétisé des microparticules de cobalt et de nickel. Plus tard, Wang

et col [54] ont synthétisé des particules de platine de taille nanométrique avoisinant 1 nm. La

méthode consiste à porter à reflux l’éthylène glycol à pH basique (pH = 11-12) contenant un

sel de platine, le tout sous azote.

I. 3. 2 La synthèse « water in oil microemulsion »

La synthèse par microémulsion est un système ternaire eau-heptane-Brij®30. Le terme

microémulsion est défini comme un mélange translucide et thermodynamiquement stable de

deux phases non miscibles.

Après mélange des deux phases (figure 5), il s’ensuit un processus de nucléation et de

croissance des nanoparticules à l’intérieur des micelles. Le mécanisme de formation des

nanoparticules est basé sur deux procédés. Le premier est basé sur le diagramme proposé par

LaMer et col. [55] qui montre que la première étape de formation des nanoparticules est la

nucléation, suivie de leur croissance. Par conséquent la taille des particules augmente avec la

concentration en sel métallique dans les micelles. Le second procédé est basé sur la

thermodynamique des nanoparticules par l’intermédiaire du tensioactif. Les auteurs concluent

que lorsque la concentration en sel métallique et la taille des micelles varient, la taille des

nanoparticules reste constante. De ce fait, le processus de nucléation continuerait pendant la

18

formation des nanoparticules. Grâce à cette méthode, Boutonnet et col. [56] ont pu synthétiser

des nanoparticules de métaux nobles (Pt, Pd, Rh, Ir).

Dans les années 90, Tojo et col. [57] ont montré qu’il existait deux mécanismes au cours

de la formation des nanoparticules par microémulsion, dépendant des concentrations en

réactifs utilisés. Lorsque les concentrations des réactifs sont élevées, l’étape de nucléation

s’effectue avant l’étape de croissance. Pour de faibles concentrations, les étapes de nucléation

et de croissance se déroulent simultanément. Il a été par ailleurs démontré que la croissance

des particules se fait par autocatalyse du noyau et par échange de noyaux entre micelles.

.

Figure 5: Formation de nanoparticules métalliques par la méthode « water in oil

microemulsion » [58]

Des nouvelles études menées sur cette méthode de synthèse montrent que lorsque la

concentration du tensioactif est supérieure à la concentration micellaire critique, les molécules

de tensioactif forment des micelles inverses, favorisant la solubilisation de composés

hydrophiles contenus dans la phase organique [58]. La collision des gouttelettes d’eau permet

aussi la formation des nanoparticules dans les micelles inverses (figure 5). Pour ce qui est des

faibles concentrations en tensioactif, Eriksson et col. [59] ont établi que la formation des

micelles permet la solubilisation des composés lipophiles. De plus, ces auteurs ont pu

Microémulsion Ι Microémulsion ΙΙ

Phase aqueuseSels métallique

Phase aqueuseAgent réducteur (NaBH4)

Mélange de Ι et ΙΙPhase huileN-heptane

Phase huileN-heptane

Collision et coalescencedes gouttelettes

Précipitation(métal ou oxyde de métal)

19

identifier les paramètres qui affectent la structure des micelles durant la synthèse des

nanomatériaux, parmi lesquels le rapport entre eau/tensioactif qui a un effet considérable sur

la taille des micelles. En effet, l’augmentation de la quantité d’eau entraîne l’augmentation de

la taille des micelles. En revanche, l’augmentation de la quantité en tensioactif engendre la

formation d’un grand nombre de micelles, impliquant ainsi la diminution de leur taille. En

général, les tensioactifs sont classés en deux catégories [60] :

− Les tensioactifs ioniques, dont la tête polaire est dissociable et peut entraîner des

répulsions électrostatiques entre les réactifs contenus dans la micelle et la surface de

celle-ci. Le plus communément utilisé est le bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate de

sodium [61] (AOT).

− Les tensioactifs non ioniques ne portant pas de charge électrique sur les parties

apolaires, mais un grand nombre de molécules d’eau fortement liées. Tel est le cas des

poly(éthylène glycol) dodécyl ethers, CiEj [61] (CiEj correspond au : CH3(CH2)i-

1O(CH2CH2O)j H) et le Brij®30 [62-64] .

D’autres travaux ont également été réalisés sur la synthèse de nanoparticules

bimétalliques telles que Pt-Ru [63], Pt-Pd [62], Pt-Au [16, 65] en utilisant cette méthode.

Néanmoins, pour ce qui est des caractérisations en électrocatalyse, la présence de tensioactifs,

difficiles à éliminer au cours du nettoyage, pose un problème car ils bloquent une partie des

sites actifs des catalyseurs [59]. Les traitements thermiques et chimiques [62], [66] ont permis

de résoudre ce problème sauf dans le cas du Brij®30 où cela provoque le frittage des

particules, donc une perte de surface des électrocatalyseurs [66].

I. 3. 3 Synthèse par la méthode dite Slot

Slot et col. [67] ont mis au point une méthode contrôlée de synthèse des nanoparticules

d’or non supportés. Cette synthèse est réalisée grâce à deux solutions : l’une contenant le sel

d’or (HAuCl4, 6 H2O) et l’autre l’acide tannique et le citrate de sodium jouant le rôle de

réducteur. L’acide tannique qui est un polyphénol (masse moléculaire 1701 g.mol-1) peut

également jouer le rôle de stabilisant de nanoparticules. Ils soulignent que pour cette méthode,

trois paramètres clés sont à maîtriser : la température, le pH et la concentration de l’acide

20

tannique. En fixant la température (60 °C) et le pH (7,5 et 8), ils ont pu mettre en évidence

l’effet de la concentration en acide tannique (d’un volume à 1 % massique ajouté/ mL) dans la

solution réductrice sur la taille des nanoparticules d’or synthétisées dans une gamme de 3 à

17 nm.

I. 3. 4 Autres méthodes de synthèses

D’autres auteurs ont synthétisé des nanoparticules de Au, Ag, AuAg [42, 68] et PtAg [69]

à partir de la synthèse de monométallique d’or faite par Brust et col. [70]. Ainsi, partant de

deux solutions : une solution de transfert de réactif contenant le sel métallique préalablement

dissous dans l’eau, du bromure de tetraoctylammonium (TOAB), dodécanthiol (DT) servant

de stabilisant aux particules et une solution réductrice de NaBH4. A la différence de Brust, les

autres auteurs, pour se débarrasser de la chaîne carbone DT ont effectué un traitement

thermique pendant 2 h à 300 °C. Au cours de ce traitement thermique, Tominaga et col. [71]

ont démontré un changement du ratio atomique AuCu.

Comotti et col. [45] ont synthétisé des catalyseurs mono et bimétalliques (Au, Pt, Pd et

Rh) supportés sur du carbone. Ils se sont abstenus d’utiliser des tensioactifs et des agents

protecteurs comme le DT difficile à éliminer. Ils ont plutôt utilisé le glucose comme agent

protecteur de nanoparticules facile à éliminer après plusieurs lavages à l’eau, et le NaBH4

comme réducteur.

I. 4. Réduction enzymatique de l’oxygène moléculaire

La réaction de réduction de l’oxygène moléculaire en eau présentant une faible surtension

est un défi majeur dans le domaine des piles à combustible. Plusieurs travaux ont été effectués

concernant la cinétique de réduction du dioxygène par des catalyseurs métalliques [72-74].

Dans ce cas le processus de réduction de la molécule d’oxygène en eau passe par un

intermédiaire réactionnel : le peroxyde d’hydrogène. En utilisant des catalyseurs d’origine

biologique comme les enzymes, la réaction s’effectue directement avec l’échange de quatre

électrons conduisant ainsi à la formation de l’eau [75-79].

21

L’enzyme est une protéine qui joue le rôle de catalyseur biologique en transformant un

substrat S en produit P. Elle est capable d’abaisser l’énergie d’activation d’une réaction et

d’accélérer jusqu’à des millions de fois des réactions chimiques. Elle présente une activité

optimale à température ambiante et des pressions proches des valeurs ambiantes.

Les enzymes présentent deux spécificités. La première est liée au substrat. Une enzyme

est spécifique à une partie bien précise sur le substrat. Toutefois plusieurs enzymes peuvent

agir sur des régions différentes du substrat. La deuxième concerne son action spécifique. Elle

ne catalyse qu’un seul type de réaction chimique. Ainsi à partir d’un même substrat et avec

des enzymes différentes, on obtient des produits différents.

Les enzymes sont répertoriées en six classes selon leurs fonctions:

• Les oxydoréductases qui catalysent les transferts d’électrons.

• Les transférases : enzymes capables de transférer un groupement fonctionnel d’une

molécule à une autre.

• Les hydrolases : enzymes qui provoquent et favorisent l'hydrolyse (décomposition

chimique d'une substance par l'eau).

• Les lyases catalysent la rupture de différentes liaisons chimiques formant ainsi

souvent une nouvelle liaison ou un nouveau cycle.

• Les isomérases : enzymes capables de transformer une molécule en l’un de ses

isomères.

• Les ligases qui permettent la jonction de deux molécules.

Dans le but de coupler une réaction enzymatique et électrochimique, les catalyseurs

enzymatiques adéquats sont les oxydoréductases. Dans le cas de la réduction de la molécule

de dioxygène, les enzymes généralement utilisées sont la laccase et la bilirubine oxydase

(BOD). Ces deux enzymes font partie de la famille des « multicopper oxidase» caractérisées

par quatre centres actifs Cu2+/Cu+, qui sont numérotés T1, T2 et deux sites T3 [76]. Le site T1

permet l’électrooxydation du substrat à un électron et le centre trinucléaire formé par T2 et T3

quant à lui est responsable de la réduction du dioxygène [76, 80].

Toutefois, le transfert d'électrons direct de l’enzyme à l’électrode est généralement

difficile à cause des structures complexes de ses centres redox et les orientations défavorables

de celle-ci au niveau des électrodes. Les questions clés de performance des biopiles sont la

22

densité de courant, la f.e.m et la durée de vie. Ces problèmes de performances se traduisent

par une série de problèmes de conception d'électrodes qui comprend:

• La façon d'obtenir une conductivité électronique efficace entre l'électrode et l'enzyme.

• La façon d'atteindre des densités de courant suffisamment élevées pour une enzyme

immobilisée.

• La façon de stabiliser l'électrode à enzyme à la dégradation et la lixiviation.

Bien que certaines enzymes aient montré un transfert électronique direct sur l’électrode,

la plupart des approches pour le transfert d’électrons de l’électrode à l’enzyme, impliquent

l’utilisation de médiateurs qui sont des relais moléculaires qui peuvent récolter des électrons

de l’électrode et les conduire sur les sites redox de l’enzyme [77, 78, 81-83].

L’obtention d’une électrode enzymatique stable et performante constitue un problème clé

dans sa conception. Pour arriver à de telles performances, il est nécessaire d’immobiliser

l’enzyme à la surface de l’électrode [84, 85] ce qui permettra une bonne orientation de

l’enzyme et une réduction de la distance entre le site actif de l’enzyme et la surface de

l’électrode. Pour y parvenir, plusieurs méthodes d’immobilisation ont été développées dans la

littérature.

I. 5. Techniques d’immobilisation des enzymes

Il existe différentes techniques d’immobilisation des enzymes à la surface d’une électrode

à savoir : l’emprisonnement de l’enzyme dans une matrice de polymère ou encapsulation,

l’adsorption à la surface de l’électrode et le greffage covalent de l’enzyme à la surface de

l’électrode (figure 6).

23

Figure 6: Différentes techniques d'immobilisation de l'enzyme à la surface d'une électrode.

I. 5. 1 Emprisonnement dans une matrice de polypyrrole

La technique d’immobilisation par encapsulation de l’enzyme consiste à piéger l’enzyme

par exemple soit à l’intérieur du réseau tridimensionnel d’une matrice de polymère, soit dans

une matrice de Nafion®, ou dans un polymère redox à base d’osmium. Pour l’immobilisation

de l’enzyme dans une matrice de polymère, l’électrode est dans un premier temps plongée

dans une solution contenant à la fois l’enzyme, le monomère et parfois le médiateur

électrochimique. La polymérisation permet l’obtention du réseau dans lequel l’enzyme est

retenue, principalement de manière physique, à cause de l’encombrement stérique. Parmi les

polymères couramment utilisés, on peut citer le polypyrrole [6, 85-87], la polyaniline [88-90],

le polyphénol [91, 92], le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) [90] ou bien le poly (éthylène

glycol méthacrylate) [93]. L’intérêt d’utiliser un film polymère conducteur réside dans sa

capacité à former un réseau de fibres de polymères qui va permettre le transfert des électrons.

L’obtention de ces fibres ou la croissance du polymère peut se faire par chronoampérométrie

à un potentiel constant [13, 84, 90], par chronopotentiométrie [87] ou par voltammétrie

cyclique à variation linéaire de potentiel [6, 87]. L’avantage de ces techniques de

Méthodes d’immobilisation de l’enzyme

Méthode chimique Méthode physique

GreffageEncapsulation dans une matriceAdsorption

E

E

E E

E

E

E

E

24

polymérisation est la quantification de l’épaisseur du film de polypyrrole obtenue par la

méthode d’équivalence courant-matière [87]. Quand la chronoampérométrie est utilisée, la

quantité de pyrrole polymérisé est difficile à contrôler avec précision compte tenu de la

variation du courant d’un échantillon à l’autre [87]. En dépit du fait que cette technique

d’immobilisation soit efficace, certains auteurs l’ont optimisée par l’ajout du glutaraldéhyde

permettant la réduction des pertes de l’enzyme ou du médiateur [85, 94]. Habrioux et col. [95]

ont mené une étude plus approfondie, notamment sur l’effet de l’épaisseur du film de

polypyrrole et l’effet de sa réticulation par le glutaraldéhyde sur une électrode de type

BOD/ABTS au cours de la réduction de l’oxygène moléculaire. Pour ce qui est du

comportement du film de polypyrrole, les auteurs indiquent que les densités de courant de

réduction sont inversement proportionnelles à l’épaisseur du film de polypyrrole. Dans ces

conditions, à un potentiel de 0,2 V vs. ECS, ils obtiennent des densités de courant de 215

µA.cm-2 pour une épaisseur de film de 3,6 µm et 340 µA.cm-2 pour une épaisseur de 1,8 µm.

Les sites actifs de l’enzyme deviennent de ce fait difficiles d’accès.

L’immobilisation dans une matrice de Nafion® quant à elle, consiste à bloquer l’enzyme

sur l’électrode [96-98]. Luo et col. [96] ont démontré que le film de Nafion® peut faciliter

l’échange d’électrons entre les sites électroactifs de l’enzyme et l’électrode. Mais la

détermination de la quantité d’enzyme est difficile à quantifier une fois l’enzyme

immobilisée. Des travaux antérieurs [99] ont montré que le fait de substituer le proton de la

fonction sulfonique de Nafion® par un ion ammonium, permet d’augmenter le caractère

hydrophobe du polymère.

L’utilisation d’un polymère redox à base d’osmium pour immobiliser l’enzyme à la

surface de l’électrode fut réalisée par Heller et col. [100-104]. L’avantage avec ce polymère

est qu’il joue à la fois le rôle de matrice pour l’immobilisation de l’enzyme, et aussi de

médiateur pour le transfert électronique entre le substrat et l’enzyme. Ainsi la distance entre le

centre actif de l’enzyme et le polymère se trouve réduit, ce qui améliore la vitesse de transfert

d’électrons.

25

I. 5. 2 Immobilisation de l’enzyme par adsorption

La technique d’immobilisation de l’enzyme par adsorption consiste, à fixer l’enzyme

directement sur la surface d’électrode grâce à des liaisons faiblement énergétiques (liaisons

hydrogène, liaisons de Van der Waals). Cette technique est facile à mettre en œuvre. Il suffit

de mettre l’enzyme au contact de l’électrode. Cette approche a néanmoins un inconvénient : le

risque de désorption de l’enzyme qui varie suivant son affinité avec le support et la

composition du milieu. C’est pourquoi certains paramètres doivent pris en compte lors du

processus d’immobilisation tels que : le pH, la force ionique du milieu et l’hydrophobicité de

la surface du support [105].

I. 5. 3 Immobilisation de l’enzyme par greffage covalent

L’immobilisation d’une laccase par greffage covalent a été réalisée par certains auteurs à

la surface de tube de carbone dans le but d’étudier la stabilité de l’électrode [84]. Au cours de

cette étude, ils ont montré que l’activité de l’électrode ainsi préparée présente une valeur

maximale après 30 jours lorsque celle-ci est conservée à 4 °C dans une solution de tampon

phosphate. Cette performance pourrait s’expliquer par la modification de la conformation des

protéines à la surface du polypyrrole fonctionnalisé. Au-delà de 30 jours, une diminution de

50% est observée pour l’activité enzymatique des électrodes ayant un film fin de polymère,

tandis que l’activité reste constante pour les films plus épais. D’autres études ont démontré

que l’utilisation d’espaceurs carbonés à longue chaîne contribue à avoir de grandes densités

de courant et présente moins de surtension qu’une chaîne carbonée courte. La flexibilité

permettrait ainsi une grande mobilité de l’enzyme à la surface de l’électrode ce qui favorise la

cinétique de réaction de réduction de l’oxygène moléculaire et d’obtenir une densité de

puissance de 20 µW.cm-1 [85].

26

I. 6 Réduction enzymatique d’O2 par la laccase

La laccase (EC 1.10.3.2) est une enzyme extracellulaire appartenant à la famille

de « multicopper oxidase » issue des plantes ou des champignons. Elle est capable d’oxyder

des composés phénoliques en réduisant simultanément la molécule d’oxygène en eau [76,

106]. Contenant quatre atomes de cuivre notés T1, T2 et deux sites T3 comme précédemment

décrit et selon le type de microorganismes dont elle est extraite, la laccase présente des

valeurs de potentiels redox comprises entre 430 et 780 mV vs. ERH [107]. Cette différence

s’explique par la séquence d’acides aminés autour de son site T1 [107, 108]. Pour ce qui est

du mécanisme d’oxydation du substrat, il a été démontré que la réduction du site T1 se faisait

avant celle du site T2, suivie d’un transfert intramoléculaire des électrons au site T3 [76, 106].

Le transfert d’électrons entre l’enzyme et l’électrode peut être réalisé de manière directe

ou indirecte grâce à un médiateur redox.

I. 6. 1 Transfert direct d’électrons

Le transfert direct d’électrons entre le site actif de l’enzyme et la surface d’électrode

permet à celle-ci d’agir comme un substrat donneur d’électron. Les études menées par

Yaropolov et col. [109] sur deux souches de laccase (Coriolus hirsutus, Rhus vernicifera) ont

permis de mettre en évidence le transfert électronique au cours de la réduction de l’oxygène

moléculaire. De plus de par leur origine différente, la souche Coriolus hirsutus présente un

écart de potentiel pour le début de la réduction de 0,35 V par rapport à Rhus vernicifera, qui

peut s’expliquer par la séquence d’acides aminés constituant les sites T1 de chacun [110].

Pour la laccase extraite de la souche Rhus vernicifera et celle de type T. Hirsuta, le potentiel

de début de réduction a été observé respectivement à 600 mV vs. ESH à pH 7 et à 725 mV vs.

ESH à pH 5 et les auteurs [111] proposent deux mécanismes différents de transfert de charge

au cours de l’électroréduction de l’oxygène moléculaire pour cette laccase extraite de deux

souches différentes. Lorsque la réduction se fait avec l’enzyme extraite de T. hirsuta quatre

électrons sont échangés alors que pour celle extraite de Rhus Vernicifera, ce sont deux

électrons échangés conduisant à la formation de peroxyde d’hydrogène. En travaillant sur

divers types de laccase de la famille des basidiomycètes en milieu tampon citrate-phosphate à

27

pH 3, Shleev et col. [107] observent que lorsque l’électrode en graphite est modifiée par les

différentes enzymes, ils enregistrent des variations de courant au cours de la réduction de

l’oxygène moléculaire, avec des potentiels de début de réduction proches du site T1 de chaque

enzyme. Le transfert électronique y est généralement difficile à cause de la structure

complexe des centres redox de l’enzyme et des orientations défavorables avec l’électrode.

Shleev et col. [112] ont étudié le mécanisme de transfert direct sur deux électrodes différentes

(Carbone, Or). Sur l’électrode de carbone le transfert direct (DET) est observé entre la surface

de l’électrode et le site T1, tandis que pour le cas de l’or le DET s’effectue entre le site T2 et

l’électrode. Ceci a été confirmé par Pita et col. [113] lors de l’étude menée sur une électrode

d’or fonctionnalisée par des liaisons thiol avec les enzymes d’origine des basidiomycètes. Ils

ont obtenu comme produit de réduction du peroxyde d’hydrogène lorsque l’électrode d’or

n’est pas fonctionnalisée. En présence de la laccase extraite de T. hirsuta immobilisée sur les

électrodes d’or modifiées par des liaisons thiols, aucune trace de H2O2 n’a été détectée, le

produit de la réduction est de l’eau. Pour optimiser le transfert direct, d’autres auteurs ont opté

pour la fonctionnalisation de la surface d’électrode avant l’immobilisation de l’enzyme [114-

116]. Cela permet une meilleure orientation du site T1 de l’enzyme et du substrat.

I. 6. 2 Transfert indirect d’électrons

Le transfert indirect (figure 7) peut être réalisé par l’utilisation de molécules organiques

comme médiateur électrochimique parmi lesquelles figurent, l’acide 2,2-azinobis-3-

éthylbenzothiazoline-5-sulfonique (ABTS) [108, 117], le ferricyanure de potassium avec un

potentiel redox de 119 mV vs. ECS ou le ferrocène présentant un potentiel redox de 405 mV

vs. ECS [108]. Xu et col. [118] ont mis en évidence que le pH de fonctionnement optimal de

l’enzyme dépend fortement de la nature du substrat utilisé. Ils ont révélé que pour les

substrats phénoliques, cette valeur de pH est comprise entre 5 et 8, alors que pour les substrats

non phénoliques elle est inférieure à 7. Quant au médiateur ABTS, la valeur du potentiel de

demi-vague du système ABTS•-/ABTS2- augmente avec le pH : 440 mV vs. ECS à pH 4 en

milieu citrate phosphate 0,2 mol.L-1 [108], 469 mV et 510 mV vs. Ag/AgCl respectivement à

pH 5 et 6 [119-120]. En outre, les études menées par Solís-Oba et col. [119] ont montré que

l’ABTS présente deux systèmes réversibles avec des potentiels de demi-vague de 469 et 870

mV vs. Ag/AgCl en milieu tampon acétate 0,1 mol.L-1 à pH 5 sur une électrode de carbone.

28

L’enzyme peut être également immobilisée sur un polymère rédox d’osmium [81, 82,

121], de molybdène [121], de ruthénium ou de complexe de fer [121]. De part la valeur de

leur potentiel redox élevée ([Mo(CN)8]4-/3- 0,55 V vs Ag/AgCl, [Fe(2,2’-bipyridine)3]

2+/3+ 0,86

V vs Ag/AgCl ou [Fe(1,10- phénantroline)3]2+/3+ 0,9 V vs Ag/AgCl) par rapport au site T1 de

l’enzyme, les auteurs [121] concluent que ces médiateurs ne sont pas favorables à la réduction

de O2 avec la laccase. En effet, pour avoir une meilleure performance, le potentiel T1 de

l’enzyme doit être supérieur au potentiel redox du médiateur utilisé.

Figure 7 : Réduction enzymatique indirecte de l’oxygène

I. 7 Réduction enzymatique d’O2 par la Bilirubine oxydase (BOD)

La BOD comme la laccase est un « multi-copper oxidase » qui catalyse l’oxydation de la

bilirubine en biliverdine [112, 122, 123] avec réduction simultanée du dioxygène en eau. Le

site catalytique de la BOD est aussi constitué de trois sites, un site T1, un site T2 et deux sites

T3 [76, 123]. Le site T1 est l’accepteur d’électrons provenant du substrat, avant de les

transmettre aux sites T2 et T3 [76, 102]. Les BOD couramment utilisées proviennent de deux

souches de champignons différentes : Myrothecium verrrucaria avec une masse moléculaire

de 66 kDa [77, 110, 123] et Trachyderma tsunodea dont la masse moléculaire est de 64 kDa

[78, 110]. Les potentiels redox du site T1 sont respectivement de 670 mV pour Myrothecium

verrrucaria et supérieur à 650 mV vs. ENH pour Trachyderma tsunodea. Ces différences de

potentiel sont caractérisées par les ligands autour du site T1 de chaque enzyme. Il est ainsi

possible de classer la BOD extraite de Myrothecium verrrucaria dans le groupe des

« multicopper oxidases » à bas potentiel redox et celle extraite de Trachyderma tsunodea dans

le groupe de potentiel redox élevé [110]. En revanche, elles présentent le même potentiel

redox au site T2 autour de 390 mV vs. ENH [110]. Les travaux effectués par Mano et col. [78,

EnzRéd

EnzOx

O2

H2OElectrode

MédOx

MédRéd

29

102] montrent que ces deux souches présentent une stabilité thermique différente en milieu

tampon phosphate à pH 7,4. En effet, la BOD extraite de Trachyderma tsunodea présente une

activité croissante jusqu’à 40 °C et chute rapidement autour de 55 °C, alors qu’avec la BOD

extraite de Myrothecium verrrucaria, son activité croît jusqu’à 60 °C. Dans la même étude, il

est démontré que l’activité des deux enzymes n’est pas affectée par la présence d’ions

chlorure pour des concentrations comprises entre 0 et 1 mol.L-1. Par contre au-delà de 1,5

mol.L-1, l’inhibition est due à la complexation des sites de l’enzyme. L’étude comparative de

ces deux enzymes [78] par l’intermédiaire d’un polymère d’osmium montre que la BOD issue

de Trachyderma tsunodea présente la meilleure activité. En effet, la densité de courant

obtenue est respectivement de 0,88 mA.cm-2 à 0,30 V vs. Ag/AgCl pour Trachyderma

tsunodea et 0,73 mA.cm-2 à 0,25 V vs. Ag/AgCl pour Myrothecium Verrucaria.

Le transfert électronique de la BOD à l’électrode peut se faire suivant deux processus

comme pour la laccase. A savoir : le transfert direct et le transfert indirect.

I. 7. 1 Le transfert direct d’électrons

Le transfert direct [83, 124-127] entre l’enzyme et l’électrode a été mis en évidence avec

l’utilisation de nanotubes de carbone [125, 126] pour avoir une orientation optimale de

l’enzyme à la surface de celle-ci. Schubert et col. [128], en modifiant la surface le l’électrode

d’or par les nanotubes de carbone, ont pu optimiser la biocathode avec un potentiel de début

de réduction de l’oxygène de 485 mV vs. Ag/AgCl, ce qui a été également montré par Göbel

et col. [129] mais avec une différence de potentiel de 15 mV.

I. 7. 2 Le transfert indirect d’électrons.

Le transfert indirect s’effectue en utilisant des médiateurs qui vont améliorer le transfert

électronique [83, 95, 102, 130] et donc augmenter la performance catalytique de la BOD.

Cette performance va dépendre notamment du médiateur utilisé car le potentiel de réduction

peut varier en fonction du médiateur. Comme il a été mentionné pour la laccase, si l’écart de

potentiel de site T1 de la BOD et du médiateur est trop faible, le transfert électronique sera

30

très lent. Parmi les médiateurs couramment utilisés, on peut citer : les complexes cyano-

métalliques [110] ([Mo(CN)8]3-/4- (780 mV vs. ENH), [Fe(CN)8]

3-/4- (435 mV vs. ENH),

[Os(CN)8]3-/4- (640 mV vs. ENH), [W(CN)8]

3-/4- (520 mV vs. ENH)). Parmi ces différents

complexes, Tsujimura et col. [130] ont démontré que le complexe [W(CN)8]3-/4- présente la

meilleure activité dans une solution tampon à pH 5 saturée en O2. Pour une valeur de pH 4, il

a été montré que le système BOD/ABTS présente une activité optimale [77].

I. 8 Les biopiles Glucose /O2

Aujourd’hui les biopiles trouvent plusieurs applications notamment en biotechnologie ou

dans les systèmes électriques travaillant sur de longues périodes et utilisant des carburants

présents dans le corps humain (glucose) ainsi que dans l’environnement.

En ce qui concerne la biopile à enzyme, plusieurs travaux ont été effectués en utilisant

différents types d’enzymes, parmi lesquelles la glucose oxydase (GOD), la glucose

déshydrogénase pour l’oxydation du glucose et la laccase ou la bilirubine oxydase (BOD)

pour la réduction de la molécule d’oxygène. Pour ce faire, Mano et col. [131] ont construit

une biopile glucose/O2 opérant dans les conditions physiologiques (37 °C, pH 7,2 et en

présence d’ions chlorure) dans lesquelles le glucose est oxydé en gluconolactone par la GOD

à l’anode et à la cathode, l’oxygène est réduit en eau par la BOD. Ces deux enzymes ont été

reliées à la surface de l’électrode grâce à deux polymères redox constitués d’un complexe

d’osmium (polymère redox I. relié à la GOD : PVP-[Os(N,N’-dialkylé-2,2’-

biimidazole)3Cl]2+/3+ et polymère redox II relié à la BOD : PAA-PVP-[Os(4,4’-dichloro-2,2’-

bipyridine)2]+/2+). Dans ces conditions, la puissance de la pile obtenue est de 1,9 µW pour une

tension de cellule de 0,52 V fonctionnant pendant une semaine avec une perte de puissance de

6 % par jour. Liu et col. [120] ont étudié l’effet du pH sur les performances d’une biopile

glucose/oxygène composée du système GOD/ Ferrocène d’acide monocarboxylique à l’anode

et du système Laccase/ABTS à la cathode, ils obtiennent une densité de puissance à pH 4 plus

élevée (99,8 µW.cm-2) qu’en milieu neutre pH 7 (2 µW.cm-2). Ce résultat est directement lié

au fait que la laccase a son activité optimale à pH 4. Brunel et col. [13] parviennent aux

mêmes conclusions en faisant la même étude pour une biopile constituée par le système

GOD/HQS à l’anode et le système laccase/ABTS à la cathode. Pour une concentration en

glucose de 10 mmol.L-1 à 37 °C, cette biopile délivre à pH 5 une puissance de 27 µW.cm-2 à

31

0,24 V contre 18 µW.cm-2 à 0,19 V à pH 7. De plus, ils ont montré que les performances de la

biopile sont affectées par l’apport d’oxygène. A pH 7 lorsque le système est alimenté

directement en oxygène, il présente une densité de puissance de 8,5 µW.cm-2 à 0,125 V alors

que lorsqu’ils utilisent un prototype de biopile constitué de tube de carbone au travers duquel

l’oxygène diffuse, la densité de puissance obtenue est de 18 µW.cm-2 à 0,2 V. A partir des

résultats obtenus pour ce prototype de biopile, Habrioux et col. [16] ont obtenu des puissances

plus élevées (72 µW à 0,22 V) en utilisant des catalyseurs bimétalliques AuPt/C à l’anode et

le système laccase/ABTS à la cathode en milieu tampon phosphate à pH 7,4 pour 10 mmol.L-1

de glucose. Ces auteurs [132] ont amélioré ce résultat en utilisant à la cathode un système

enzymatique de type BOD/ABTS à la place du système laccase/ABTS et ont obtenu une

densité de courant de 90 µW.cm-2 en milieu tampon pH 7,4 et pour une concentration en

glucose de 10 mmol.L-1. Ils montrent également que la puissance de la pile croît avec

l’augmentation de la concentration en glucose (180 µW.cm-2 à 0,52 V pour une concentration

0,7 mol.L-1 en glucose).

Zebda et col. [133, 134] ont conçu une biopile microfluidique à canaux en forme de Y

pour éviter tout mélange entre le combustible : le glucose et le comburant : l’O2. Le système

enzymatique utilisé est pour l’anode GOD/Fe(CN)63- et la cathode laccase/ABTS à pH 7 pour

10 mmol.L-1 en glucose et obtiennent une puissance de 110 µW.cm-2 à 0,3 V.

32

Tableau 1 : Tableau comparatif des densités de puissance pour différentes biopiles Glucose/Oxygène

I. 9. Conclusion et stratégie envisagée

L’état de l’art effectué sur la biopile glucose / O2, conduit à un choix bien spécifique des

catalyseurs utilisés pour ce système. A l’anode de la pile la littérature fait état de l’oxydation

du glucose par la GOD ou la GDH. Mais la nécessité d’utiliser le cofacteur pyridinique

(NAD) pour la GDH entraîne une grande surtension au cours de l’oxydation du glucose. La

GOD est aussi très sensible à la présence de l’oxygène conduisant à la formation de peroxyde

d’hydrogène qui est un inhibiteur de l’enzyme. Ces différentes raisons nous ont conduits à

orienter cette étude vers l’utilisation de catalyseurs anodiques métalliques à base de platine

sur lequel l’oxydation du glucose débute à bas potentiel (0,2-0,3 V vs.ERH). Le platine et l’or

ont des propriétés déshydrogénantes qui permettent de transformer le glucose en δ-

gluconolactone (réaction à 2 électrons). La synthèse de nanocatalyseurs à base de ces deux

Système condition Densité de puissance Auteurs

GOD LaccasepH 7; 20 °C

1,3 mW.cm -2 (0,95 V) Zebda (2011)

GOD/PVP/Os BOD/PAA-PVI/Os

pH 7,2 ; 37 °C

740 µW.cm -1 (0,57 V) Mano (2010)

GOD/Ferrocène Laccase/ABTS

pH 4pH 7

99,8 µW.cm -2

2 µW.cm -2

(0,66 et 0,16 V)

Liu (2005)

GOD/HQSLaccase/ABTS

pH 5pH 737 °C

27 µW.cm -2 (0,24 V)18 µW.cm -2 (0,19 V)

Brunel (2007)

GOD/HQSBOD/ABTS

pH 7,4 ; 37 °C 42 µW.cm -2 (0,3 V) Habrioux (2008)

GOD/Ferrocène Laccase/ ABTS

pH 7 ; 23 °C 110 µW.cm -2 (0,3 V) Zebda (2009)

Au-Pt/CLaccase/ABTS/Nafion

pH 7,4 ; 37 °C 72 µW.cm -2 (0,22 V) Habrioux (2007)

Au 70Pt30/CBOD/ABTS/Nafion

pH 7,4 ; 37 °C 90 µW.cm-2 (0,4 V) Habrioux (2008)

33

métaux sera donc envisagée pour avoir des électrodes de grande surface active et pour

diminuer leur taux de charge dans les cellules électrochimiques. Il est rapporté dans la

littérature que les catalyseurs bimétalliques Au-Pt présentent un effet de synergie vis-à-vis de

l’oxydation du glucose. En jouant sur la quantité de Pt dans la composition des

nanomatériaux, une nouvelle méthode de synthèse sans tensioactif sera développée au cours

de ce travail de thèse. En effet, la méthode « water in oil microemulsion » permet de préparer

des nanoparticules à morphologie et taille contrôlées. Mais la présence du tensioactif, difficile

à éliminer durant la procédure de nettoyage, peut rendre inaccessible certains sites actifs lors

de la réaction électrochimique.

L’électroréduction enzymatique de la molécule d’oxygène est généralement catalysée par

la BOD ou la laccase. Pour optimiser l’activité de l’enzyme à la surface du support

conducteur, plusieurs techniques d’immobilisation avec ou sans médiateur ont été

développées. Dans cette étude, le choix sera porté sur la BOD en travaillant en milieu tampon

phosphate à pH 7,4 en présence de deux médiateurs (ABTS et un complexe d’osmium non

commercial) ; chaque système BOD/médiateur sera immobilisé dans une matrice de Nafion®

puis déposé sur un support carboné pour les études de la réaction de réduction de l’oxygène

moléculaire.

35

CHAPITRE II : PARTIE EXPERIMENTALE

37

II. Techniques et méthodes expérimentales

II. 1 Nettoyage de la verrerie

Il est extrêmement important que le matériel en contact avec l’électrode et l’électrolyte

soit propre pour les mesures électrochimiques. En effet la présence de composés organiques

au contact de l’électrolyte peut réagir avec le catalyseur au cours d’une réaction. Ceux-ci

peuvent être irréversiblement adsorbés à la surface du catalyseur bloquant ainsi ses sites

catalytiques. Il est donc nécessaire de faire un nettoyage soigneux de la verrerie avant toute

expérience en électrochimie.

En général le matériel est nettoyé à l’aide de solutions fortement oxydantes. Pour ce faire,

tout le matériel est plongé dans une solution acidifiée de permanganate de potassium (Sigma-

Aldrich) pendant 24 heures, afin d’éliminer toute trace de composés organiques. Après avoir

sorti la verrerie, celle-ci est rincée à l’aide d’une solution contenant en proportion volumique

un quart de peroxyde d’hydrogène à 33 % vol (VWR), un quart d’acide sulfurique à 95 % vol

(VWR) et un demi d’eau ultra pure (MilliQ®, Millipore) dont la résistivité à 20 °C est de 18,2

MΩ.cm. La verrerie est ensuite rincée abondamment à l’eau.

Les réacteurs utilisés lors de la synthèse des nanoparticules Au, Pt et AuPt sont quant à

eux immergés pendant au moins deux heures dans une solution d’eau régale, solution

composée de trois volumes d’acide chlorhydrique (VWR) et d’un volume d’acide nitrique

(VWR), après chaque synthèse pour éliminer toute trace de platine et d’or pouvant modifier la

composition et la distribution de taille des nanoparticules synthétisées.

En ce qui concerne la caractérisation des catalyseurs, elle est réalisée dans une cellule dite

à trois électrodes (figure 8) qui comprend une électrode de travail sur laquelle est déposé le

catalyseur étudié, une électrode de référence dont le potentiel électrochimique est fixé et

connu et d'une électrode auxiliaire (contre électrode) constituée d'un matériau inerte dans les

conditions de l'étude (plaque de carbone vitreux). Une entrée et une sortie de gaz existent sur

la cellule pour travailler en atmosphère contrôlée. La description schématique de la cellule

utilisée est présentée sur la figure 8. Sur cette figure, l'électrode de travail représentée est une

électrode constituée d’un embout de carbone vitreux (ou une électrode à disque et anneau

tournants - EDAT).

38

Figure 8: Schéma d'une cellule électrochimique

L'électrode de référence est soit une électrode réversible à hydrogène (ERH) soit une

électrode au calomel saturée (ECS) reliée à la cellule électrochimique par l’intermédiaire d'un

capillaire de Luggin. L'électrode ERH est remplie de la solution électrolytique utilisée pour la

mesure, puis par électrolyse une bulle d’hydrogène est réalisée de sorte que le fil de platine

soit au contact de la solution et de l'hydrogène. Pour l’électrode ECS, le réservoir est rempli

d’une solution saturée de chlorure de potassium (KCl).

L'électrode ERH ainsi constituée a un potentiel dont la valeur va dépendre du pH de la

solution suivant la relation de Nernst :

⁄° 2.3

loga 0,059 pH ESH⁄ (Eq. 4)

Pont de Luggin

Contre électrode

Sortie de gaz

Entrée de gaz

Electrode de travail

Electrode de référence

39

II. 2 Caractérisation électrochimique

II. 2. 1 Caractérisation électrochimique par voltammétrie cyclique à

variation linéaire de potentiel

La voltammétrie cyclique à variation linéaire de potentiel est une méthode

électrochimique qui permet d’étudier les phénomènes intervenant à l’interface électrode –

électrolyte. Elle consiste à appliquer à l’électrode de travail une tension triangulaire variant

entre deux valeurs de potentiels extrêmes (Einf, Esup) en fonction du temps caractérisé par une

vitesse : & ''( (figure 9). Plusieurs cycles consécutifs peuvent être exécutés, chacun étant

représenté par un tracé du courant enregistré en fonction du potentiel appliqué, appelé

voltampérogramme.

E

t

Esup

Einf

Figure 9: Programmation du potentiel au cours du temps en voltampérométrie cyclique.

Le courant mesuré est la somme de deux contributions à l'interface électrode/solution : le

courant capacitif lié à l'existence de la double couche électrique et le courant faradique

associé aux processus d'oxydation et de réduction qui se produisent à l’électrode, soit :

) )c )f '*+'( ',-

'( (Eq 5)

Avec I le courant total, Ic et If les courants capacitif et faradique, Qc et Qf les charges

capacitive, faradique et t le temps.

Le courant faradique recouvre différentes expressions plus ou moins complexes selon le

système considéré. En fonction de la forme de sa dépendance à la vitesse de variation de

potentiel, il est possible d'en déduire certaines caractéristiques de la réaction comme sa

40

réversibilité ou l'intervention d'espèces adsorbées. Le courant faradique varie également avec

la concentration en l'espèce électroréactive et l'aire de l'électrode. Pour éliminer l'influence de

ce dernier facteur, le courant est usuellement normalisé avec l’aire de l'électrode et présenté

sous la forme d'une densité de courant j = I/A.

II.2. 3 Electrode à disque et anneau tournants (EDAT)

L’électrode à disque et anneau tournants est un dispositif utilisé pour les mesures

électrochimiques. Sa partie supérieure est munie d’un moteur relié à un contrôleur permettant

de fixer la vitesse de rotation de l’axe de l’électrode à l’extrémité de laquelle se trouve un

disque (par exemple du carbone vitreux), d’un anneau en platine sertis dans un cylindre de

Téflon comme le présente la figure 10.

Figure 10: Schéma de la convection de l'électrolyte sur un embout d'électrode à disque

et anneau tournants ; vue de dessous.

Pour son principe de fonctionnement, la réaction étudiée se produit sur le disque et les

produits de réaction vont se déplacer par le mouvement de convection jusqu’à l’anneau sur

lequel est réalisée l’oxydation ou la réduction d’une partie de ces produits. Il est tout de même

important de faire un étalonnage de l’appareil.

SupportTeflon

Disquecarbone vitreux

Anneau en platine

41

Etalonnage

L'étalonnage d'une électrode à disque et anneau tournants s'effectue par la mesure du taux

de collection, noté N, défini par l'équation :

N II0

où IR est le courant mesuré sur l'anneau et ID celui mesuré sur le disque.

La mesure de N ne dépendant pas de la réaction étudiée, l'étalonnage est réalisé avec la

réaction de réduction de Fe(CN)63- en Fe(CN)6

4-. Cette réduction est réalisée sur le disque de

carbone vitreux dont le potentiel varie linéairement de 1 V vs. ERH à 50 mV vs. ERH. Le

potentiel de l'anneau est fixé à 1,2 V vs. ERH afin de réaliser une oxydation totale du

Fe(CN)64- formé. Lors de la mesure, le taux de collection de l'électrode N doit être proche de

la valeur indiquée par le distributeur du matériel (ici 22 %) pour avoir des données exactes au

cours des études expérimentales.

II. 3. La spectroscopie infrarouge in situ à transformée de Fourier

La spectroscopie de réflexion in situ est une méthode très utile en électrocatalyse car

elle permet l’identification des espèces dissoutes dans l’électrolyte ainsi que des espèces

adsorbées à la surface des catalyseurs (électrode), à partir de leurs bandes de vibrations

caractéristiques. C’est dans ce contexte que la spectroscopie infrarouge de réflexion in situ à

transformée de Fourier a été utilisée.

Le principe de la technique est le suivant : la radiation infrarouge qui rentre dans

l’interféromètre est divisée en deux faisceaux par une lame séparatrice. Suivant la position du

miroir mobile, les ondes issues de chacun de deux faisceaux se recombinent de manière

constructive ou destructive. C’est l’interaction de ce rayonnement avec la surface de

l’électrode selon un angle d’incidence fixe de 65° qui permet de mettre en évidence les modes

de vibration actifs des molécules adsorbées à la surface de l’électrode ou présentes dans

l’électrolyte au voisinage de cette surface.

Toutes les expériences présentées dans ce manuscrit ont été réalisées sur un

spectromètre Bruker® IFS 66v, en utilisant le logiciel OPUS pour le contrôle et l’acquisition

42

des données. Afin d’éviter les interférences dues au dioxyde de carbone et à la vapeur d’eau

atmosphériques, le système est maintenu sous vide tout au long des expériences, à l’aide

d’une pompe à vide, jusqu’à une pression de 10-3 mbar. Le spectromètre est équipé d’une

source infrarouge (Globar), d’un diaphragme, d’un interféromètre de Michelson comportant

une lame séparatrice en KBr et d’un détecteur HgCdTe (MCT) refroidi à l’azote liquide.

La cellule spectroélectrochimique utilisée pour les mesures est une cellule classique à trois

électrodes conçue au laboratoire et dont la géométrie est adaptée au spectromètre (Figure 11).

Elle comprend une contre-électrode (fil de platine ou plaque de carbone), une électrode de

référence ERH et l’électrode de travail est constituée d’un disque carbone vitreux de 8 mm de

diamètre, poli avant chaque expérience, sur lequel un volume d’encre catalytique de 5 µL est

déposé puis séché sous atmosphère inerte. Cette électrode est placée à l’intérieur de la cellule

équipée d’une fenêtre en fluorure de calcium (CaF2) transparente au rayonnement IR dans le

domaine d’énergie étudié (entre 1000 et 4000 cm-1). De façon à éliminer le dioxygène dissous

dans l’électrolyte, celui-ci est désaérée au moins 30 min avec de l’azote (1 bar) avant chaque

expérience.

Les deux méthodes de mesure utilisées sont maintenant décrites.

La méthode SPAIRS

La méthode SPAIRS (Single Potential Alteration Infrared Reflectance Spectroscopy)

[135-138] permet principalement de suivre in situ la présence d’intermédiaires réactionnels

ainsi que la formation de produits de réaction sur et au voisinage de l’électrode. Cette

méthode consiste à faire l’acquisition de spectres (réflectivités) pendant une variation linéaire

du potentiel de l’électrode de travail à faible vitesse (typiquement 1 mV s-1). Les spectres sont

exprimés en variation relative de réflectivité (∆R/R) calculée selon la formule suivante

(équation 6) :

122 R45 R67-

R67-

(Eq. 6)

iER représente la réflectivité à un potentiel i du cycle voltammétrique (Ei).

refR représente le potentiel dit de référence pris au début (ou à la fin) de la variation du

potentiel.

43

Les réflectivités enregistrées à intervalles de temps choisis (typiquement 50 s ce qui

correspond à 50 mV pour une variation linéaire de potentiel de 1 mV.s-1) résultent de

l’accumulation de n interférogrammes traités par transformée de Fourier.

Cette méthode d’acquisition a également été utilisée après adsorption sous potentiel contrôlé

d’une molécule sonde (le monoxyde de carbone). Dans ce cas, la position de la bande de la

molécule adsorbée ainsi que le suivi in situ de son oxydation permettent de caractériser l’état

de surface de l’électrocatalyseur.

Mesures de spectroscopie IR couplée à la chronoampérométrie

La deuxième méthode a été la chronoampérométrie suivie par infrarouge pendant un

temps défini avec une acquisition de spectres à intervalles de temps fixes. L’objectif visé en

réalisant l’IR in situ couplée à la chronoampérométrie est d’étudier l’évolution des produits

intermédiaires et finaux tout en étudiant la stabilité de l’électrocatalyseur au cours du temps.

Dans ce cas, les spectres sont exprimés en termes de variation relative de réflectivité calculée

selon la formule suivante :

ref

ref

t

tt

R

RR

R

R −=∆

(Eq 7)

tR représente la réflectivité au temps t.

reftR représente le temps dit « de référence », pris généralement au début de la mesure

(t = 0).

Dans les expériences menées, les réflectivités prises toutes les 3 minutes résultent de

l’accumulation de 1024 interférogrammes.

Pour les deux techniques décrites, les spectres ont été enregistrés dans le domaine de

l’infrarouge moyen, entre 1000 et 4000 cm-1, avec une résolution spectrale de 4 cm-1. Le

contrôle de potentiel a été effectué en utilisant un potentiostat µAutolab Type III.

44

Figure 11: Cellule électrochimique utilisée pour la Spectroscopie infrarouge in situ

II. 4 CO stripping

La réaction d’électrooxydation du monoxyde de carbone est une réaction très étudiée en

électrocatalyse, en particulier pour des catalyseurs à base de platine ou d’or. Cette expérience

est réalisée par voltammétrie cyclique à variation linéaire de potentiel.

Le principe consiste à adsorber le CO à la surface du catalyseur. Pour ce faire, il est appliqué

à l’électrode de travail un potentiel fixe à 50 mV vs ERH et un bullage de monoxyde de

carbone est réalisé dans l’électrolyte pendant un temps de 5 minutes. Durant cette étape, un

faible courant est enregistré jusqu’à ce que la saturation entraîne un retour à un courant nul.

L’électrolyte est ensuite dégazé par bullage d’azote pendant 30 minutes pour retirer l’excès de

CO dans la solution. Une variation positive de potentiel est alors appliquée jusqu’à 1,55 V vs

ERH suivie d’un retour au potentiel initial pour une vitesse de variation linéaire de potentiel

de 20 mV.s-1. Puis un deuxième cycle est enregistré dans la même gamme de potentiel pour

vérifier si tout le CO a totalement été oxydé.

Rayon incidentRayon réfléchi

Solutionélectrolytique

Fenêtre CaF2

Contre électrode(fil de platine)

Electrode de référence (ERH)

Entrée de gaz

Electrode de travail muni d’undisque de carbone vitreux couvertdu dépôt catalytique

45

II. 5. Caractérisation physique des nanomatériaux synthétisés.

II. 5. 1 La diffraction des rayons X en transmission (DRX)

Le but de cette technique d’analyse est de déterminer la structure cristalline des

nanoparticules métalliques. Elle permet d’avoir accès à la cristallinité des matériaux, ainsi

qu’aux paramètres de maille cristalline et à la taille des cristallites. Les échantillons

synthétisés sous forme de poudre ont été analysés sur un diffractomètre de type

PANanalytical en configuration Bragg-Brentano (figure 12).

Il est équipé d’une anode en cuivre alimentée à 40 kV et 40 mA, générant des rayonnements

de longueur d’onde, Cu Kα1 = 1,54060 Å et Cu Kα2 = 1,54443 Å. Les mesures ont été

réalisées entre les valeurs de 2θ comprises entre 15 ° et 85 ° avec un pas de 0,05 °/2θ et un

temps d’acquisition de 2 minutes par pas. Des fentes Sollers en option primaire et secondaire

de 0,02 rad permettent d’éliminer la dissymétrie des pics de diffraction. Un filtre de nickel

utilisé pour éliminer la composante Kβ du rayonnement est également installé en optique

secondaire, avant le détecteur linéaire XCelerator dont la fenêtre d’ouverture a été réglée à

0.5 °. Ce travail à été réalisé à Lakehead University (Canada) dans le cadre d’un stage de trois

mois effectué dans cette université et les données ont été traitées à l’Université de Poitiers à

l’aide du logiciel HighScore Plus.

Figure 12 : Représentation schématique du diffractomètre de rayons X

Tube à rayon X

Détecteur

Optique primaire Optique secondaire

Filtre de Ni

Fente de détecteur

Fenteanti-dispersion

Fentes sollers

Fente divergence

Echantillon

46

II. 5. 2 La Microscopie Electronique à transmission MET

La microscopie électronique à transmission est une technique de microscopie où un

faisceau d'électrons est « transmis » à travers un échantillon très mince. Les effets

d'interaction entre les électrons et l'échantillon donnent naissance à une image dont la

résolution peut atteindre 0,8 Å.

Le microscope utilisé pour la caractérisation des nanoparticules synthétisées est de type

JEOL 2100 UHR (200 kV) à émission thermoélectronique équipé d’un filament LaB6 comme

canon à électrons.

Comme le présente la figure 13, la colonne composant le microscope est constituée par

un canon à électrons, un accélérateur, des lentilles magnétiques formant l’ensemble du

condensateur de flux et de lentilles objectives permettant de focaliser le rayonnement incident

sur l’échantillon. Après passage sur l’échantillon, le faisceau passe ensuite par des lentilles

intermédiaires puis par une lentille de projection avant d’arriver à la chambre d’observation

composée d’une caméra numérique et d’un écran fluorescent permettant l’acquisition et

l’enregistrement des images. Au cours des expériences, la colonne est maintenue sous vide.

La résolution maximale utilisée est de 0,2 nm.

Figure 13: Schéma d'un Microscope Electronique en Transmission (MET)

Canon à électron

Accélérateur

1re lentille condensateur

2e lentille condensateur

Lentille objectif

Echantillon

Lentille objectif

Lentille intermédiaire

Lentille projecteur

Ecran fluorescentFilm photographiqueCaméra CCD

Diaphragme decondensateur

Diaphragme de l’objectif

Diaphragme desélection d’aire

Caméra CCD rétractable

47

II. 5. 3 L’Analyse Thermique Différentielle et Gravimétrique (ATD-ATG)

L'analyse thermogravimétrique (ATG) est une technique d'analyse thermodynamique qui

consiste à mesurer la variation de masse d'un échantillon en fonction de la température sous

air ou sous argon. Cette méthode va permettre de vérifier le taux de charge métallique du

catalyseur supporté sur du carbone Vulcan XC72R. La combustion du carbone en CO2 se

traduira par une perte de masse. A ce titre, les analyses ont été effectuées en utilisant un

appareil de type Thermal Analysis Instruments SDT G600, sous un flux d’air (100 mL.min-1)

en appliquant une variation linéaire de température entre 25 et 800 °C avec des rampes de

températures de 10 °C entre 25 et 300 °C et de 5 °C entre 300 et 800 °C.

II. 5. 4 Analyse par Chromatographie Liquide Ionique Haute Performance

(CLIHP)

La chromatographie liquide ionique à haute performance est la technique utilisée pour

l’analyse de la phase liquide des solutions d’électrolyse. Elle est utilisée ici pour la

détermination des produits d’oxydation du glucose. Ainsi elle va permettre de séparer les

espèces à analyser, les solutés, entre deux phases miscibles. Il faut noter que l’interaction

entre une phase mobile c’est-à-dire l’éluent qui tend à déplacer les espèces à séparer

contenant les produits à analyser, et une phase stationnaire à savoir la colonne qui tend à

retarder la mobilité de celles-ci par adsorption (ou faible interaction), permet de séparer

différents composés en solution. L’appareil utilisé Dionex, comporte une pompe avec un

injecteur six voies et une boucle d’injection de 20 µL AS 50 Autosampler. Les analytes sont

séparés sur une colonne AS15 IonPac® précédée d’une colonne de garde (figure 14). Les

chromatogrammes sont enregistrés et traités par le logiciel Chromeleon 6.50. Le débit de

l’éluant NaOH 10 mmol.L-1 est fixé à 0,3 mL.min-1.

48

Figure 14: Schéma simplifié du système chromatographique utilisé

II. 6. Conclusion

L’ensemble de toutes ces techniques d’analyse sera utilisé afin de réaliser une étude des

différentes propriétés des catalyseurs anodique et cathodique.

En ce qui concerne les catalyseurs anodiques, l’objectif est de relier les propriétés

physiques des nanomatériaux nouvellement synthétisés par la méthode par « Echange

d’anions » avec leurs propriétés catalytiques. Il convient par conséquent de procéder à

diverses analyses physiques :

- La microscopie électronique en transmission (MET). Elle permettra d’obtenir des

informations quant à la dispersion des nanoparticules sur du carbone Vulcan XC72R.

Les clichés obtenus permettront d’avoir une idée de la taille moyenne des particules en

faisant un décompte de celles-ci grâce au logiciel ImageJ.

- L’analyse de diffraction des rayons X (DRX). Elle aura pour but de mettre en

évidence le paramètre de maille de chaque matériau.

Phase mobile 10 mM NaOH

Système d’injection: AS 50 Autosampler

Système de séparation: d’une colonne de garde et d’une colonneanalytique AS15 IonPac®

Système de détection

Chromatogramme

Suppresseur

Echantillon

49

- L’étude de composition chimique. Elle sera réalisée par spectroscopie de dispersion

d’énergie de rayons X (EDX) et permettra de comparer la composition d’une particule

à l’ensemble de l’échantillon.

D’autres méthodes d’analyse telles que le CO stripping et l’analyse par spectroscopie

infrarouge in situ à transformée de Fourier seront également utilisées. La première méthode

permet de caractériser l’état de surface des catalyseurs bimétalliques AuPt par rapport au Pt.

Elle permet aussi de déterminer la surface active de l’électrode. La seconde méthode sera utile

dans la détermination des produits d’oxydation du glucose et des intermédiaires réactionnels.

L’étude de la réaction de réduction de l’oxygène moléculaire catalysée par la bilirubine

oxydase (BOD) sera effectuée sur une électrode à disque et anneau tournants, dans l’objectif

de déterminer si cette réaction conduit ou non à la production de peroxyde d’hydrogène.

51

CHAPITRE III- SYNTHESE ET CARACTERISATIONS DES

NANOPARTICULES OR-PLATINE

52

53

III. Synthèse et caractérisations des nanoparticules à base d’or et de platine

Ce chapitre est consacré à la synthèse des nanomatériaux mono et bimétallique à base de

platine et d’or par la méthode appelée « Méthode Echange d’Anions (MEA) » mise au point

durant cette thèse au laboratoire de Poitiers. Les nanomatériaux synthétisés seront caractérisés

par les méthodes physicochimiques décrites dans le chapitre II.

III. 1. Synthèse de nanoparticules d’or, de platine et or-platine

La littérature fait état de la difficulté d’éliminer le tensioactif utilisé pendant la synthèse

des nanomatériaux [62, 66]. Dans ce travail de thèse, une nouvelle méthode de synthèse de

nanomatériaux sans tensioactif est envisagée : « Méthode Echange d’Anions (MEA) » [139].

La MEA, au lieu d’utiliser un surfactant, utilise un contre anion plus facile à éliminer de

la surface des nanoparticules au cours de la phase de nettoyage (faite uniquement à l’eau).

Pour ce qui est de la synthèse, les sels métalliques utilisés sont : pour l’or HAuCl4 (Sigma

Aldrich) et pour le platine H2PtCl6, 6H2O (Alfa-Aesar 99,9 %). Le contre anion est le bromure

de potassium KBr (Sigma Aldrich). L’agent réducteur utilisé est le borohydrure de sodium

(NaBH4). De l’eau MilliQ® (18,2 MΩ.cm à 20 °C) est utilisée pour la dissolution des sels

métalliques. Pour permettre une bonne dispersion des nanoparticules, du carbone Vulcan

XC72R (Cabot) a été utilisée comme support. Mais avant son utilisation, un traitement

thermique pendant 4 heures à 400 °C sous argon est nécessaire pour se débarrasser des

impuretés présentes à sa surface.

Réduction des sels métalliques

Pour la mise en œuvre du protocole, une solution mère est d’abord préparée à 1 %

massique en sels métalliques. 3 mL de cette solution mère sont prélevés et mis dans un

réacteur, d’une capacité de 500 mL contenant un volume de 200 mL d’eau, placé dans un bain

thermostaté à 25 °C sous agitation. Après homogénéisation et équilibre thermique, 12 mL de

KBr (0,1 mol.L-1) sont ajoutés. Les solutions contenant de l’or présentent une coloration jaune

pâle au départ et après ajout de KBr, elles deviennent d’une couleur jaune très intense,

54

caractéristique d’un échange entre l’ion chlorure et l’ion bromure. Cette étape est décisive

pour avoir un environnement stérique autour de l’ion métallique afin d’empêcher la

croissance des nanoparticules au cours de la phase de réduction. En effet, l’ion bromure étant

plus volumineux que l’ion chlorure, il apporte plus de contraintes stériques autour de l’ion

métallique.

Avant l’étape de réduction, une quantité adéquate de carbone Vulcan est ajoutée à la

solution puis portée au bain ultrasons pendant 30 min pour permettre une bonne

homogénéisation. La réduction des ions métalliques est réalisée par ajout goutte à goutte de

15 mL de NaBH4. La solution est placée sous agitation pendant 1 h 30. Le tout est ensuite

filtré sur Büchner (sous vide) en utilisant un filtre Millipore® 0,22 µm GSWP fourni par

Fisher-Bioblock. Trois rinçages au moins à l’eau MilliQ® sont nécessaires pour éliminer

toutes les espèces ioniques. Le catalyseur recueilli sur le filtre est placé dans un pilulier et mis

à sécher dans l’étuve à 80 °C pendant 24 h.

Préparation de l’encre catalytique

L’encre catalytique est préparée à partir de la poudre de catalyseur synthétisée. Dans une

solution contenant 750 mg d’eau et 100 mg de Nafion® à 5 % en masse d’alcools aliphatiques

(Sigma Aldrich) soigneusement homogénéisée dans un bain ultrasons (45 min), 10 mg de

poudre catalytique sont ajoutés. Le tout est placé au bain ultrasons pendant 2 h. 4 µL de cette

solution sont déposés sur du carbone vitreux puis séchés sous argon. La surface géométrique

de l’électrode de travail est de 0,071 cm2. Pour avoir toujours une surface propre, l’embout de

carbone vitreux est préalablement nettoyé par polissage à l’aide d’une poudre d’alumine.

55

III. 2 Caractérisation physicochimique des nanoparticules monométalliques

d’or, de platine et des matériaux bimétalliques or-platine

III. 2. 1 Les catalyseurs monométalliques

Les nanomatériaux monométalliques synthétisés sont le platine et l’or. Le travail présenté

ci-dessous concerne l’étude de leurs propriétés physicochimiques.

III. 2. 2 Nanoparticules de platine

III. 2. 2. 1 Caractérisations physiques

Les nanoparticules de platine synthétisées et supportés sur du carbone (Pt/C) ont été

caractérisées par microscopie électronique en transmission (MET). Ces particules présentent

une très bonne dispersion sur le support carboné avec formation de quelques agglomérats

entre particules (figure 15 A).

La distribution de taille a été réalisée avec un logiciel libre ImageJ® [140] en faisant un

décompte compris entre 300 et 500 particules isolées, pour avoir une distribution statistique

acceptable. Une taille moyenne de 2,81 ± 0,04 nm a été obtenue (figure 15 B).

L’analyse thermique gravimétrique (ATG) a permis de déterminer un taux de charge

métallique d’environ 37 % en masse pour un taux théorique de 40 % (figure 15 C).

56

Figure 15: Image MET (A) et distribution de la taille des nanoparticules de Pt/C (B) ; ATG

sur le catalyseur Pt/C sous air (∆T= 5 °C.min-1) (C)

Le diffractogramme obtenu par diffraction de rayons X (DRX) pour les nanoparticules de

Pt présente des pics très intenses et étroits (figure 16). Ceux-ci indiquent clairement que ce

matériau a une structure cubique face centrée et possède une taille de cristallite élevée. Le

paramètre de maille calculé en utilisant la relation de Bragg (équation 8) est de 3,916 Å. Il est

légèrement inférieur à celui du platine massif (3,924 Å), impliquant par conséquent une

contraction du réseau cristallin à travers les nanoparticules de Pt.

49:;<: 1

>: ?: @: A:

B: C B <D?: @: A:2 sin ;

(Eq. 8)

Avec :

< la longueur d’onde (0,15406 nm)

; l’angle de Bragg

B le paramètre de maille

(h k l) les indices de Miller des plans diffractants

d la distance entre deux plans cristallographiques

1 2 3 4 5 60

20

40

60

80

100

Taille (nm)

Fré

quen

ce

d= 2. 81 +/- 0.04

0 100 200 300 400 500 600 700 80030

40

50

60

70

80

90

100

110 M

asse

(%

)

Température (°C)

63 %

(A)

C

(B)

57

Figure 16: Diffractogramme obtenu par DRX du catalyseur Pt/C

III. 2. 2. 2 Caractérisations électrochimiques

La méthode envisagée pour quantifier la composition de surface électrochimiquement

active consiste en l’intégration des pics de désorption des oxydes d’or et de platine, visibles

sur le voltammogramme obtenu en milieu NaOH, à la concentration de 0,1 M (méthode

développée il y a une vingtaine d’années au laboratoire). La figure 17 représente le

voltammogramme enregistré pour le catalyseur nanométrique Pt/C plongeant dans une

solution d’hydroxyde de sodium 0,1 mol.L-1. Ce voltammogramme comporte trois zones A, B

et C, caractéristiques d’une surface de platine polycristallin [141]. Lors de la variation

positive, la zone A1 correspond à la désorption de l’hydrogène adsorbé sur le platine [141,

142], selon l’équation 9 :

Pt-Hads + OH- → Pt + H2O + e- (Eq 9)

La zone B comprise entre 0,5 et 0,6 V vs. ERH, présentant des courants faibles, est appelée la

zone de double couche ; le courant mesuré correspond à du courant capacitif.

30 40 50 60 70 80 90

2-theta (Degrés)

(200)

(222)

(220) (311)

(111)

Inte

nsité

/ ua

58

Figure 17: Voltammogramme du catalyseur Pt/C en milieu alcalin (v = 20 mV.s-1, 0,1 mol.L-1

NaOH, à 21 °C)

Aux potentiels élevés, la zone A2 correspond au domaine de formation des hydroxydes à la

surface du platine (équation 10). Elle débute par un faible épaulement autour de 0,65 V vs.

ERH.

Pt + OH- → Pt-(OHads) + e- (Eq. 10)

Lors de la variation négative de potentiel, le pic se situant dans la zone C2 à 0,7 V vs.

ERH correspond à la réduction des hydroxydes adsorbés à la surface de Pt (équation11). A

bas potentiel, c’est-à-dire dans la zone C1, on observe un faible pic à 0,35 V vs. ERH et un pic

plus important à 0,2 V vs. ERH correspondant à l’adsorption de l’hydrogène sur Pt (équation

12).

Pt-(OH)ads + e- → Pt + OH- (Eq 11)

Pt + H2O → Pt-Hads + OH- (Eq 12)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-3

-2

-1

0

1

2

B

C1

C2

A2

j / m

A c

m-2

E / V vs. ERH

A1

59

L’étude de la variation de la borne positive en milieu alcalin (0,1 mol.L-1 NaOH) a été

réalisée pour ce matériau (figure 18). L’augmentation de la borne supérieure entraîne

l’augmentation du pic d’adsorption et de désorption d’hydrogène. La même observation est

faite pour le pic de désorption des hydroxydes à la surface du Pt qui débute autour de 0,7 V

vs. ERH.

Au cours de ce travail, la surface active (SA) de Pt/C a été calculée en déterminant la charge

due à l’adsorption ou à la désorption de l’hydrogène sur sa surface. La contribution de la

double couche a été soustraite pour obtenir uniquement la charge faradique. Ce calcul a été

réalisé à partir des équations 13 et 14.

HI Jé+LMNOéPJQRNR+RS+LP

(Eq 13)

où :

Qéchangée TU V > (Eq 14)

et Qmonocouche est la charge théorique correspondant à la désorption d’une monocouche

d’hydrogène sur 1 cm2 de platine polycristallin [143], soit 210 µC.cm-2.

En fonction de la masse (m) du catalyseur déposée, la surface active S en unité de masse

(m2.g-1) est calculée selon l’équation 15 :

S *éWXYZ[é\Q.*]^Z^W^_WX\

(Eq 15)

Pour toutes les expériences voltammétriques, 14 µg de métal ont été déposés.

60

Figure 18: Voltammogramme du Pt en milieu NaOH 0,1 mol.L-1 : variation de la limite

supérieure.

III. 2. 3 CO stripping sur Pt/C

La capacité d’un catalyseur sur l’oxydation du monoxyde de carbone est fortement

dépendante de la nature du matériel d’électrode et de la taille des nanoparticules [144-146].

Pour une efficacité des matériaux anodiques, l’utilisation du CO comme molécule sonde est

très importante pour comprendre son activité électrochimique. Elle peut aussi être utilisée

pour quantifier la surface électroactive. Deux possibilités peuvent être envisagées : soit dans

la zone d’adsorption ou bien dans la zone de désorption d’hydrogène comme précédemment

définie ou par intégration du pic d’oxydation de CO.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

E/ V vs. ERH

i/ m

A

61

Figure 19: Voltammogrammes de Pt/C dans 0,1 mol.L-1 NaOH (en pointillé) et CO

stripping (ligne continue) à 20 mV.s-1

Le voltammogramme présenté sur la figure 19 représente le CO stripping sur Pt/C. Le

premier cycle du voltammogramme montre que le CO adsorbé préalablement à la surface du

Pt bloque les sites catalytiques et ainsi, aucune adsorption d’hydrogène n’est visible.

L’électrooxydation du CO en CO2 commence à très bas potentiel aux alentours de 0,25 V vs.

ERH. Plusieurs hypothèses liées au mécanisme d’oxydation du CO ont été mentionnées dans

la littérature. Anderson rapporte par exemple que le COads a été transformé en CO2 grâce à son

interaction avec les OHads à 0,3 V vs. ERH [147]. Spendelow et col. proposent en revanche

l’oxydation du CO en milieu alcalin suivant le mécanisme de Eley-Rideal dans la région du

pré-pic où cette oxydation est favorisée par les hydroxyles en solution [148]. Cela serait en

accord avec le résultat de la figure 19 car aucune preuve de la présence des OHads n’est visible

avant 0,5 V vs. ERH.

Pendant la variation positive du potentiel, deux autres pics sont observés à 0,57 et 0,64 V

vs. ERH (pics B et C). L'oxydation du CO à ces potentiels s’explique par un mécanisme

bifonctionnel. En effet le COads est oxydé par les espèces oxygénées (hydroxydes ou oxydes)

qui sont présentes à la surface de l’électrode [66, 74, 149]. Au-delà de 0,64 V vs. ERH, on

observe une différence entre le trait continu et le trait en pointillé ; cette dernière est

probablement due à l’effet de la charge capacitive de la double couche après l'élimination de

CO de la surface de l'électrode [139].

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

-0.08

-0.04

0.00

0.04

0.08

0.12

0.16

A

C

B

j/ m

A.c

m-2

E/ V vs. ERH

Second cycle Premier cycle

Pic d'oxydation du CO

62

III. 3. Nanoparticules d’or

Parmi un grand nombre de métaux de transition, l’or est un métal qui présente une faible

activité à l’état massif et une activité catalytique élevée à l’échelle nanométrique [144, 151,

152]. Dans cette partie, les propriétés physicochimiques de nanoparticules d’or synthétisées et

supportées par du carbone (Au/C) sont évaluées pour mieux comprendre leur effet catalytique.

III. 3. 1 Caractérisation physique des nanoparticules Au/C

Les nanoparticules de Au supportées sur du carbone ont été analysées par ATG pour

déterminer le taux de charge métallique. Cela a conduit à une charge métallique de 37,8 % en

masse (Figure 20 A). Grâce à l’analyse par MET, le cliché obtenu montre une dispersion des

particules sur le support, présentant une forme sphérique malgré quelques agglomérations

(Figure 20 B). La taille moyenne des particules obtenues par décompte des particules isolées

est de 3,13 ± 0,25 nm (Figure 20 C).

Figure 20: ATG sur le catalyseur Au/C sous air (∆T= 5 °C.min-1), (A) Image MET (B) et

distribution de la taille des nanoparticules de Au/C (C).

(A)

0 100 200 300 400 500 600 700 80030

40

50

60

70

80

90

100

110

Mas

se (

%)

Température (°C)

62,2 %

(C)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

20

40

60

80

Taille (nm)

Fré

quen

ce

d= 3.13 +/- 0.25

(B)

63

Le diffractogramme obtenu sur les nanoparticules de Au/C présente une structure cfc

avec un paramètre de maille de 4,0749 Å obtenu à partir du pic de diffraction (200) (Figure

21), valeur proche de celle de l’or massif 4,078 Å [153].

Figure 21: Diffractogramme obtenu par DRX du catalyseur Au/C

III. 3. 2 Caractérisation électrochimique des nanoparticules de Au/C

Pour mieux comprendre l’activité de Au/C, il est nécessaire de mener une étude

préliminaire de son état de surface. Ce travail est effectué par le biais d’une étude

voltammétrique en milieu alcalin. Le voltammogramme du catalyseur Au/C obtenu en milieu

alcalin (NaOH 0,1 mol.L-1) montre que l’hydrogène ne s’adsorbe ou ne se désorbe pas sur sa

surface (Figure 22) à la différence de ce qui est observé sur le platine.

Au cours de la variation linéaire de potentiel, deux domaines distincts peuvent être

observés. Pour des valeurs de potentiel élevées, lors de la variation positive correspondant à la

zone A1, il se produit l’oxydation de la surface d’or [141, 154] suivant l’équation 16:

Au + nOH- → Au(OH)n + ne- (Éq 16)

30 40 50 60 70 80 90

Inte

nsité

/ ua

2-theta (Degrés)

(222)

(311)(220)

(200)

(111)

64

Après l’oxydation de la surface, cette dernière est réduite lors de la variation linéaire

négative de potentiel qui se caractérise par le pic C1 autour de 1,1 V vs. ERH. Dans le

domaine de la double couche à des potentiels inférieurs à 1 V vs. ERH, on peut noter la

présence de faibles courants représentant la zone A0 et C0. Le courant d’oxydation dans cette

partie est dû à l’adsorption des ions OH- à la surface de l’or [155].

Figure 22: Voltammogramme du catalyseur Au/C en milieu alcalin (v = 20 mV.s-1, NaOH

0,1 mol.L-1, à 21 °C)

La surface active du catalyseur a été calculée en intégrant le pic de réduction des oxydes

(C1). La valeur de la quantité d’électricité en milieu alcalin est de 300 µC .cm-2 pour une

borne supérieure de 1,50 V vs. ERH [141]. De cette valeur, la surface active obtenue est de

8,26 m2.g-1.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

A0

C0

C1

j/

mA

.cm

-2

E/ V vs. ERH

A1

65

Figure 23: Voltammogramme de Au en milieu NaOH 0,1 mol.L-1 : variation de la limite

supérieure.

L’étude de la variation de la borne supérieure présentée à la figure 23 montre bien que le

pic de réduction des oxydes n’apparaît qu’après la formation des oxydes aux alentours de 1,25

V vs ERH jusqu’à la borne supérieure de 1,45 V vs ERH, et au-delà, il se forme du dioxygène.

III. 3. 3 CO stripping sur les nanoparticules Au/C.

Les nanoparticules de Au/C présentent une taille de l’ordre de 3,13 nm, résultat obtenu

par MET. Selon les résultats de Norskov [144], l’efficacité des particules d’or sur l’oxydation

du CO dépend fortement de leur taille (d < 5 nm). Blizanac et col. [156, 157] ont aussi montré

que la structure des cristallites joue un rôle important sur l’oxydation du CO. Pour vérifier cet

effet sur la taille de nanoparticules d’or au cours de l’oxydation du CO, l’étude par CO

stripping a été effectuée.

Le voltammogramme de la figure 24 montre bien cet effet de taille au cours de

l’oxydation du CO. Comme mentionné dans la littérature, elle débute aux environs de 0,4 V

vs. ERH et se poursuit jusqu’à 0,95 V vs. ERH. L’oxydation du CO à des potentiels différents

serait due à deux niveaux d’énergie d’adsorption du CO [64].

66

Figure 24: Voltammogrammes de Au/C dans NaOH 0,1 mol.L-1 (en pointillé) et CO stripping

(trait continu) à 20 mV.s-1

III. 4 Les catalyseurs bimétalliques AuPt

Le travail précédent a confirmé l’activité électrochimique des catalyseurs monométalliques

Au et Pt en milieu alcalin vis-à-vis de l’oxydation du monoxyde de carbone comme molécule

sonde. Il serait dont intéressant de faire une étude sur les catalyseurs bimétalliques et

comparer leur activité aux électrodes monométalliques. Dans un premier temps, nous allons

étudier leurs propriétés physicochimiques puis dans un second temps, leur activité par rapport

à l’oxydation du CO.

III. 4. 1 Caractérisations physiques des catalyseurs AuPt

Les catalyseurs bimétalliques de type AuPt ont été largement étudiés dans la littérature.

Ils ont été dans la majorité des cas synthétisés par la méthode dite « microémulsion » [64] ou

par d’autres méthodes [48, 49, 158]. Pour ce travail, deux compositions ont été synthétisées

par la méthode « échange d’anions ». Ces catalyseurs, à savoir : Au50Pt50 et Au70Pt30, ont été

supportées à 40 % en masse métallique sur du carbone Vulcan XC72R.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

j/ m

A.c

m-2

E/ V vs. ERH

Second cycle Premier cycle

Pic d'oxydation du CO

67

L’analyse de ces matériaux par MET a montré que l’ajout d’une faible teneur en platine

induit une diminution de la taille moyenne des particules par rapport à l’or alors que pour des

proportions identiques, celle-ci augmente. On peut également noter la présence d’agglomérats

sur tous les clichés représentant chaque catalyseur (figure 25).

Figure 25: Clichés MET des catalyseurs AuXPt100-X

La composition volumique de ces matériaux a été réalisée par spectroscopie de dispersion

d’énergie de rayons X (EDX). L’analyse a été effectuée plusieurs fois sur des particules

isolées. Les compositions nominales étudiées sont Au70Pt30 et Au50Pt50. Les résultats obtenus

Au70Pt30/C

Au50Pt50/C

Au/C

Pt/C

68

par analyse EDX sont résumés dans le tableau 2. Les compositions sont proches de celles

attendues. La méthode de synthèse utilisée est donc adéquate pour avoir une composition

homogène des particules de type AuPt.

Composition (%)

Au70Pt30 Au50Pt50

Au 63 49,5

Pt 37 50,5

Tableau 2: Analyse quantitative par EDX sur les nanoparticules Au70Pt30 et Au50Pt50

Figure 26: Distribution de la taille des catalyseurs AuXPt100-X

Le taux de charge de ces matériaux a été déterminé par ATG (Figure 27). Par rapport aux

conditions expérimentales, ce taux de charge est plus proche dans la composition Au50Pt50 soit

39 %, que dans la composition Au70Pt30 (35,5 %).

69

Figure 27: ATG sur le catalyseur AuPt/C sous air (∆T= 5 °C.min-1)

La figure 28 représente les diffractogrammes obtenus par diffraction de rayons X des

matériaux bimétalliques AuPt ainsi que ceux du Pt et Au traités précédemment. Les matériaux

bimétalliques (AuPt) sont comparés à leurs homologues monométalliques purs (Pt et Au) pour

avoir des informations complémentaires selon leur structure [159].

Les diffractogrammes de Pt et de Au présentent des pics très intenses et étroits. Cela

indique clairement que ces matériaux possèdent une taille de cristallite élevée. Les matériaux

AuPt ont les pics caractéristiques des structures cubiques à faces centrées (cfc) de Pt et Au,

correspondant aux plans de réflexion (111), (200), (220), (311) et (222). On peut facilement

voir que tous les pics de diffraction de AuPt se déplacent en valeur 2θ, du Pt vers Au en

fonction de la diminution de la teneur en Pt dans la composition du matériau bimétallique. En

outre, on peut remarquer un épaulement sur les pics de diffraction de AuPt, indiquant la

présence probable d’un alliage au sein de ce matériau.

En comparaison du paramètre de maille de Pt et Au, on a pu obtenir pour les matériaux

bimétalliques Au50Pt50 et Au70Pt30, les paramètres de maille : a = 3,988 Å et 3,994 Å qui sont

inférieurs à ceux de Au pur (a = 4,7049 Å) et supérieurs à ceux du Pt pur (a = 3,9160 Å),

confirmant de la sorte, la présence d’entités alliées.

0 200 400 600 800

30

40

50

60

70

80

90

100

Mas

se (

%)

35,5%

Au50

Pt50

Au70

Pt30

39%

Température (°C)

70

Figure 28: Diffractogrammes de nanoparticules Au, Au70Pt30, Au50Pt50 et Pt/C supportées sur

carbone Vulcan XC-72R

III. 4. 2 Caractérisation électrochimique.

La figure 29 représente les voltammogrammes des catalyseurs Au70Pt30 et Au50Pt50. Ces

voltammogrammes ont été enregistrés en milieu alcalin (NaOH 0,1 mol.L-1) pour une vitesse

de variation linéaire de potentiel de 20 mV.s-1.

Les voltammogrammes 29a et 29c montrent une évolution de la surface catalytique au

cours des cycles. En effet, cette expérience a été réalisée en effectuant un total de 34 cycles. A

partir du vingtième cycle, le voltammogramme n’évolue plus. Au cours des vingt premiers

cycles, une augmentation du pic de réduction des oxydes ou hydroxydes à la surface de l’or et

une diminution du pic de réduction des oxydes à la surface du platine sont observées.

Cette forte variation peut être associée à un réarrangement des particules à la surface du

catalyseur bimétallique. En effet, il est bien connu que sous l’effet du potentiel et surtout du

champ électrique qui en résulte, les particules bougent à la surface du support carboné. Cela

entraîne une croissance de grain pendant la rencontre entre les particules [160].

20 30 40 50 60 70 80 90

2-theta (Degrees)

(222)(311)(220)

(200)

Inte

nsité

Pt

Au50

Pt50

Au70

Pt30

Au

(111)

71

Figure 29: Voltammogrammes du matériau d’électrode Au70Pt30 (a, b après 34 cycles) et

Au50Pt50 (c, d après 34 cycles) en milieu alcalin (NaOH 0,1 mol.L-1), v = 20 mV.s-1

L’étude voltammétrique a permis de quantifier la surface active des catalyseurs. Le

principe consiste à intégrer les pics de désorption des oxydes d’or et de platine dans les

structures bimétalliques Au-Pt (Figures 29b et 29d). Il a été démontré que la charge

correspondant à la désorption des oxydes peut être prise pour la détermination de la

composition de surface [161]. Les charges associées à ces pics sont pour le platine de

410 µC.cm-2 et pour l’or de 300 µC.cm-2 lorsque la borne supérieure est fixée à 1,5 V vs ERH

en milieu NaOH 0,1 mol.L-1 [141].

Ainsi, la composition atomique en or a été déterminée à partir de l’équation 17:

` HaSHaS Hb(

(Éq 17)

où SAu et SPt sont les surfaces actives de Au et de Pt, dont les résultats sont résumés dans le

tableau 3.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

E/ V vs. RHE

i/ m

A

(a)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08(c)

E/ V vs. ERH

i/

mA

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

E/ V vs. ERH

Pic de rédution des oxydes Au

Pic de réduction des oxydes de Pt

(d)

i/ m

A

Au 50Pt50

Au 70Pt30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

Pic de rédution des oxydes Au

Pic de réduction des oxydes de Pt

(b)

i/ m

A

E/ V vs. ERH

72

Composition nominale % Atomique de surface (Au) % Atomique de surface (Pt)

Au 100 0

Au70Pt30 61 39

Au50Pt50 23 77

Pt 0 100

Tableau 3: Composition nominale calculée pour les différents bimétalliques

Les compositions nominales des nanoparticules Au70Pt30 sont plus proches des valeurs

attendues (Au61Pt39) que celles des nanoparticules Au50Pt50 présentant un très écart (Au23Pt77).

Ces valeurs sont confirmées par les voltammogrammes présentés sur les figures 29b et 29d.

En effet, pour la composition Au50Pt50 le pic caractéristique de réduction des oxydes d’or est

nettement plus faible par rapport à la composition attendue. Quant à celle de Au70Pt30, le pic

de réduction des oxydes d’or est bien marqué avec une densité de courant supérieure à celle

du pic de réduction des oxydes de platine. Dans les travaux effectués par Habrioux et col. sur

la synthèse de nanoparticules bimétalliques AuPt par la méthode w/o microémulsion, ils ont

démontré qu’il y a un enrichissement de la surface en Pt [64]. Pour la composition métallique

de Au50Pt50, ces auteurs ont obtenu 75 % en platine de composition de surface. Cette valeur

est proche de celle que nous obtenons (77 %). Ainsi pour une faible teneur en or, le

bimétallique aurait une structure cœur-coquille dont le cœur serait l’or enveloppé de platine.

Cela pourrait s’expliquer par la cinétique de réduction des sels d’or qui est plus rapide que

celle du platine.

73

III. 4. 3 CO stripping sur les catalyseurs bimétalliques AuPt

Après avoir étudié les propriétés électrochimiques des matériaux monométalliques sur

l’oxydation du CO, cette partie sera consacrée à une étude comparative entre les catalyseurs

mono et bimétalliques.

Figure 30: Voltammogrammes de Pt/C (a), Au50Pt50/C (b), Au70Pt30/C (c) et Au/C (d) dans

NaOH 0,1 mol.L-1 (en pointillé) et CO stripping (trait continu) à 20 mV.s-1 à 25 °C

Comme il a été précédemment mentionné, les espèces hydroxydes commencent à se

former au potentiel de 0,5 V vs. ERH sur l’électrode de Pt. La région d’adsorption/désorption

de l’hydrogène a lieu pour des potentiels inférieurs à 0,4 V vs. ERH. On observe le même

comportement pour les catalyseurs bimétalliques (figures 30b et 30c). Les courants de

réduction des oxydes se situent à 0,74 V vs. ERH pour le Pt et 1,05 V vs. ERH pour Au.

Lorsque les proportions en Pt augmentent dans le catalyseur bimétallique, le pic de réduction

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

j/ m

A.c

m-2

E/ V vs. ERH

Second cycle Premier cycle

(d)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

-0.08

-0.04

0.00

0.04

0.08

0.12

0.16

j/ m

A.c

m-2

E/ V vs. ERH

Second cycle Premier cycle

(a)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20(c)

E/ V vs. ERH

j/ m

A.c

m-2

Second cycle Premier cycle

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3 Second cycle Premier cycle

E/ V vs. ERH

j/ m

A.c

m-2

(b) Au50Pt50

Au70Pt30 Au

Pt

74

des oxydes de Au se déplace légèrement vers les potentiels positifs (Au70Pt30 1,03 V vs. ERH

et Au50Pt50 1,11 V vs. ERH) tout comme le pic de désorption des oxydes de Pt. Il est noté

également que l’oxydation du CO se produit à un potentiel plus faible sur les catalyseurs

bimétalliques (0,15 V vs. ERH pour Au50Pt50 et 0,13 V vs. ERH pour Au70Pt30) que sur le Pt

seul (0,25 V vs. ERH). Après l’oxydation du CO de la surface de l’électrode, les

voltammogrammes de Au70Pt30 et Au50Pt50 correspondant au second cycle sont modifiés de la

manière suivante :

- Le pic de désorption des oxydes de Au augmente alors que celui des oxydes Pt décroît.

- Dans la zone de formation des oxydes de Pt, on peut voir que les voltammogrammes

des catalyseurs bimétalliques Au70Pt30 et Au50Pt50 ne se superposent pas comme si

l’oxydation du CO à la surface de Au empêchait la réduction des oxydes de Pt. Cette

différence est plus prononcée lorsque la teneur en Pt dans le catalyseur bimétallique

diminue.

On peut donc dire que les nanomatériaux Au70Pt30 et Au50Pt50 présentent un effet de

synergie comme le montrent les figures 30b et 30c où l’oxydation du CO se fait à potentiel

plus faible que pour le platine [139]. De même, l’élargissement du pic de CO avec

l’augmentation de la teneur en or pourrait résulter de la formation d’un alliage pour ces

matériaux.

III. 5. Analyse par spectroscopie FTIR in-situ

Cette partie du travail sera consacrée à l’étude de l’électrooxydation du CO en milieu

alcalin suivi par infrarouge. Préalablement adsorbé à la surface du catalyseur, les différentes

bandes de CO seront suivies par analyse spectroscopique infrarouge in-situ.

Bien que les études réalisées en voltammétrie cyclique aient pu mettre en évidence

l’oxydation possible du CO sur les nanoparticules de Au [139], lors de l’analyse par

spectroscopie infrarouge in-situ, nous n’avons pas pu observer la bande de CO adsorbé sur

l’or qui dans ce cas se situe autour de 1970 cm-1 [162]. L’étude qui suit va donc se focaliser

sur les catalyseurs nanométriques de platine et les catalyseurs bimétalliques.

Les spectres de la figure 31 ont été obtenus pendant le premier cycle d’oxydation du CO.

75

Figure 31: Spectres SPAIR obtenus lors de l'oxydation d’une monocouche de CO

préalablement adsorbée à 50 mV vs. ERH sur les nanoparticules de Pt/C (a), Au50Pt50/C (b) et

Au70Pt30/C (c). v = 1 mV. s-1

(a)

(b)

(c)

76

Les spectres de la figure 31 montrent que le CO s’adsorbe sous deux formes : la forme

linéaire (COL) et la forme pontée (COB) sur la surface des sites catalytiques du platine (figure

31a). Effectivement, sur ces spectres, deux bandes bien distinctes aux environs de 2035 cm-1

correspondant au CO linéairement adsorbé(COL) et à 1840 cm-1, correspondant au CO ponté

(COB) sont observées. Sur les catalyseurs bimétalliques, les mêmes observations sont faites

sur les catalyseurs AuPt avec une légère modification du nombre d’onde à mesure que la

teneur en or augmente (CO linéaire : 2028 cm-1 sur Au50Pt50 et 2023 cm-1 sur Au70Pt30, CO

ponté : 1828 cm-1 sur Au50Pt50 et 1821 cm-1 sur Au70Pt30). Cette modification peut être

expliquée en considérant un effet électronique de l’or sur le platine. Sur la figure 32, sont

représentées les variations du nombre d’onde en fonction du potentiel pour les deux formes de

CO adsorbé sur les différents catalyseurs. La diminution du nombre d’onde avec

l’augmentation de la quantité d’or dans le catalyseur indique le renforcement de la liaison

entre le platine et le CO.

77

Figure 32: Variation du nombre d'onde en fonction du potentiel d’électrode pour la bande de

CO ponté (a) et de CO linéaire (b)

0 200 400 600 800 1000

18201825183018351840184518501855186018651870

Nom

bre

d'on

de /c

m-1

E / mV vs. ERH

Pt Pente 43 cm -1.V-1

Au50Pt50 Pente 25 cm -1.V-1

Au70Pt30 Pente 34 cm -1.V-1

0 200 400 600 800 10002020

2025

2030

2035

2040

2045

2050

2055

2060

2065

N

ombr

e d'

onde

/cm

-1

E / mV vs. ERH

Pt Pente 30 cm -1.V-1

Au50Pt50 Pente 32 cm -1.V-1

Au70Pt30 Pente 22 cm -1.V-1

COL

COB a)

b)

78

Au cours de son oxydation, le monoxyde de carbone conduit à la formation du dioxyde

de carbone en milieu acide dont la bande se situe à 2345 cm-1 [163]. En travaillant en milieu

alcalin, ce produit se transforme rapidement en carbonate, présentant un nombre d’ondes aux

alentours de 1400 cm-1 [164]. Cela se confirme par les résultats obtenus sur le platine et les

catalyseurs bimétalliques Au-Pt (figure 31). Le suivi de la variation de l’intensité de chaque

pic (figure 33) en fonction du potentiel, permet de noter que tous les métaux ont un

comportement identique, confirmant bien aussi que le carbonate est le produit d’oxydation du

CO en milieu alcalin. Effectivement, lorsque les intensités de COL et COB diminuent, on

assiste à une augmentation de l’intensité du pic caractéristique des carbonates (1400 cm-1). De

plus, on remarque que cette oxydation n’est pas limitée sur les catalyseurs bimétalliques.

L’effet de synergie de ces deux métaux se trouve ainsi une fois de plus confirmé.

Figure 33: Variation des intensités de pics de Pt/C (a), Au50Pt50/C et Au70Pt30/C en fonction

du potentiel.

0 200 400 600 800 1000

Inte

nsité

rel

ativ

e

0

100(a)

E / V vs. ERH

CO2-3

COB COL

0 200 400 600 800 1000

Inte

nsité

rel

ativ

e

100

E / V vs. ERH

CO2-3

COB COL

0

(b)

0 200 400 600 800 1000

Inte

nsité

rel

ativ

e

0

100 (c)

E / V vs. ERH

CO2-3

COB COL

Au50Pt50

Au70Pt30

Pt

79

III. 5. Conclusion.

Dans ce chapitre, après avoir synthétisé les nanomatériaux de Pt, Au et Au-Pt par la

« méthode échange d’anions », nous avons tout d’abord effectué leur caractérisation physique.

Par analyse au microscope électronique en transmission, les clichés obtenus montrent que ces

nanomatériaux présentent une très bonne dispersion sur du carbone Vulcan XC72R avec la

présence de quelques agglomérats. Le décompte des particules sphériques a permis d’obtenir

pour le platine une taille moyenne de 2,81 nm, pour l’or : 3,13 nm ; pour les matériaux

bimétalliques nous avons obtenu 2,57 nm pour Au70Pt30 et 3,39 nm pour Au50Pt50. Le calcul

du paramètre de maille effectué sur les diffractogrammes obtenus par diffraction des rayons X

en transmission, montre que les particules bimétalliques présentent des paramètres plus petits

que ceux de l’or et plus grands que ceux du platine. Ces mesures nous ont conduits à supposer

que les matériaux bimétalliques sont en partie composés d’entités alliées.

A partir de ces résultats, nous allons tenter de faire une corrélation avec l’oxydation du

glucose en utilisant les mêmes matériaux. La suite du prochain chapitre y sera consacrée.

80

81

CHAPITRE IV- OXYDATION DU D-GLUCOSE SUR DES CATALYSEURS

ABIOTIQUES Au, Pt ET AuPt

82

83

IV. Oxydation du D-glucose sur des catalyseurs abiotiques à base d’or et de

platine

Après avoir fait état de l’activité électrochimique des catalyseurs mono et bimétalliques à

base de platine et d’or, ainsi que leur activité vis-à-vis de l’oxydation du monoxyde de

carbone, qui a été prise comme molécule sonde, nous allons nous intéresser dans ce chapitre à

l’oxydation du glucose en milieu alcalin et en milieu physiologique pH 7,4.

IV. 1. Oxydation du glucose en milieu alcalin.

Cette partie sera consacrée à l’oxydation du glucose de concentration 10 mmol.L-1 en

milieu NaOH 0,1 mol.L-1. Dans un premier temps, cette étude sera effectuée par voltammétrie

cyclique pour comprendre l’état de surface des nanoparticules et faire une corrélation avec

l’étude précédente. Dans un second temps, nous allons suivre cette oxydation par FTIR pour

déterminer les intermédiaires adsorbés et les produits formés au voisinage de l’électrode.

IV. 2. Allure des voltammogrammes sur les différents catalyseurs utilisés au

cours de l’oxydation du glucose

L’étude voltammétrique de l’oxydation du glucose sera effectuée à 2 °C pour favoriser la

déshydrogénation de la molécule de glucose sur le platine [165]. Les voltammogrammes

obtenus sont représentés sur la figure 34.

84

Figure 34: Voltammogrammes obtenus après 34 cycles sur les nanoparticules de Au/C,

Au50Pt50/C, Au70Pt30/C et de Pt/C à 2 °C en milieu NaOH 0,1 mol.L-1 en présence et en

absence de glucose 10 mmol.L-1. v = 20 mV.s-1.

La figure 34 montre le voltammogramme de chaque matériau d’électrode préparé. Tous

les courants ont été normalisés avec la masse de métal déposé sur l’embout pour comparer

l’activité des catalyseurs vis-à-vis de l’oxydation du glucose.

Sur le catalyseur Pt/C, le voltammogramme présente trois pics d’oxydation du glucose

durant la variation positive de potentiel. Le pic centré aux alentours de 0,28 V vs. ERH est

attribué à la déshydrogénation du carbone anomérique de la molécule de glucose [165]

comme le montre le mécanisme présenté à la figure 3 (chapitre I). Les autres pics centrés à

0,74 et 1,1 V vs. ERH sont généralement attribués à l’oxydation du glucose et/ou ses produits

de réaction (par exemple la lactone) à la surface du platine couverte des hydroxydes ou des

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-12

-6

0

6

12

18

24

30

j / m

A.m

g-1

E/ V vs.RHE

Avec Glucose Sans Glucose

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-4

-2

0

2

4

6

8

E/ V vs.RHE

j / m

A.m

g-1

Avec glucose Sans glucose

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-5

0

5

10

15

20

E/ V vs.RHE

j / m

A.m

g-1

Avec glucose Sans glucose

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

j / m

A.m

g-1

E/ V vs.RHE

Avec Glucose Sans Glucose

Pt/C Au50Pt50 /C

Au70Pt30 /C Au/C

85

oxydes. Un quatrième pic d’oxydation est observé lors de la variation négative de potentiel

qui débute suite à la réduction des oxydes de Pt.

L’oxydation du glucose sur Au/C est représentée par un principal et large pic centré à

1,16 V vs. ERH durant la variation positive de potentiel. Cette oxydation commence par la

formation des hydroxydes à la surface de l’or (0,45 V vs. ERH) [147]. Durant la variation

négative, un courant d’oxydation est observé en fonction de la réduction des oxydes ou des

hydroxydes de Au.

Pour ce qui est des catalyseurs bimétalliques, l’oxydation du glucose se fait de manière

complémentaire aux catalyseurs monométalliques. En effet, lors de la variation positive de

potentiel, on observe trois pics d’oxydation bien distincts à différents potentiels d’électrode :

0,26, 0,76 et 1,16 V vs. ERH. Ces valeurs de potentiel peuvent être superposées à celles

décrites sur Pt/C (0,28 et 0,74 V vs. ERH) et sur Au/C (1,16 V vs. ERH). On peut également

noter que les catalyseurs bimétalliques AuPt peuvent déshydrogéner la molécule de glucose à

bas potentiel par rapport au platine seul. De plus après la déshydrogénation de la molécule de

glucose, les densités de courant augmentent de manière considérable après 0,4 V vs. ERH soit

15,3 mA.mg-1 pour Au70Pt30 et 10,5 mA.mg-1 pour Au50Pt50, alors que cette densité de courant

n’est que de 8,95 mA.mg-1 sur le platine seul. Ainsi, la présence de platine et d’or favorisant

la déshydrogénation du glucose, concourt aussi à l’augmentation des densités de courant, ce

qui se traduit par un effet de synergie entre ces matériaux. Durant la variation négative de

potentiel, des pics d’oxydation sont aussi visibles quand les oxydes et les hydroxydes se

désorbent de la surface de Pt et Au. Cela induit une désorption de la lactone adsorbée à la

surface du catalyseur.

86

IV. 3. Influence de la température sur l’oxydation de la molécule de glucose.

Cette étude sera réalisée pour des températures variant de 2 à 80 °C dans une solution

NaOH 0,1 mol.L-1 contenant du glucose 10 mmol.L-1 pour une vitesse de variation linéaire de

potentiel de 20 mV.s-1 (figure 35).

Le but de cette étude est de déterminer l’énergie apparente d’activation (Ea) de chaque pic

observé en voltammétrie cyclique au cours de l’oxydation de la molécule de glucose. Cette

valeur peut être estimée à partir de la pente log(j) en fonction de (1/T) à l’aide de la loi

d’Arrhenius donnée par l’équation 18.

avec :

- R, la constante des gaz parfaits (R=8,314 J. K-1.mol-1)

- Ea, l’énergie d’activation en kJ.mol-1

- E, le potentiel d’électrode auquel est mesurée la densité de courant

- c, concentration du glucose 10 mmol.L-1

Les valeurs d’énergie d’activation vont permettre de statuer sur l’étape cinétiquement

limitante au cours de l’oxydation du glucose. Les travaux effectués antérieurement [166]

mentionnent que pour une valeur d’énergie d’activation supérieure à 50 kJ. mol-1, la cinétique

de réaction est gouvernée par le phénomène d’adsorption alors que pour une valeur inférieure,

elle est gouvernée par le transport de matière de la solution vers l’électrode (diffusion).

Cette étude a été réalisée sur des nanocatalyseurs à base de platine et d’or au cours de

l’oxydation du glucose. Les voltammogrammes obtenus (figure 35) permettent de suivre

l’évolution des pics d’oxydation en fonction de la température.

∂ log c:e∂ f1

gh,+

M2,32

(Éq 18)

87

Figure 35: Voltammogrammes obtenus en milieu NaOH 0,1 mol.L-1 en présence de glucose

10 mmol.L-1 à différentes températures. (1) Pt/C, (2) Au50Pt50/C, (3) Au70Pt30/C et (4) Au/C à

20 mV.s-1. Variation de log(j) = f(1/T).

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-5

0

5

10

15

20

25

30

35 2°C 12°C 30°C 40°C

A

D

B

C

E / V vs. ERH

j / m

A. m

g-1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-4

0

4

8

12

16

20

A

D

B

j / m

A. m

g-1

E / V vs. ERH

2°C 12°C 30°C 40°C

C

1000/T / K-1

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.70.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

log(

j)/ m

A.m

g-1

Pic A Pic B Pic C Pic D

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7-0.3

0.0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

1000/T / K-1

log(

j)/ m

A.m

g-1

Pic A Pic B Pic C Pic D

Pt

(1)

Au50Pt50

(1)

(2) (2)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-10-505

1015202530354045

CB

A

2°C 12°C 30°C 40°C

E / V vs. ERH

j / m

A. m

g-1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

A

D

C

B

E / V vs. ERH

j / m

A. m

g-1

2°C 12°C 30°C 40°C

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7-0.3

0.0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

1000/T / K-1

log(

j)/ m

A.m

g-1

Pic A Pic B Pic C Pic D

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.70.0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

1000/T / K-1

log(

j)/ m

A.m

g-1

Pic A Pic B Pic C

Au70Pt30

Au

(3)

(4)

(3)

(4)

88

La figure 35 représente les voltammogrammes obtenus sur les différents catalyseurs au

cours de l’oxydation du glucose en fonction de la température. On peut remarquer que

l’intensité de chaque pic d’oxydation augmente avec la température jusqu’à des températures

de 60 °C. Au-delà de cette valeur la solution de glucose commence à se dégrader. Pour les

catalyseurs constitués de Pt, on constate que le pic caractéristique de la déshydrogénation du

glucose décroît pour des températures supérieures à 30 °C. Cette diminution de densité de

courant traduirait un changement de mécanisme d’oxydation au-delà de cette température ou

encore une réaction compétitive.

Les énergies d’activation obtenues sur chaque pic sont résumées dans le tableau 4.

Energies d’activation (kJ.mol-1)

Catalyseurs

Pics Pt Au50Pt50 Au70Pt30 Au

A 4,1 9,5 11,0 17,0

B 18,1 16,2 16,5 19,2

C 19,5 19,2 17,3 21,9

D 24,8 37,9 35,2

Tableau 4: Valeurs des énergies d'activation de chaque pic d’oxydation du glucose sur les

différents catalyseurs à base de Pt et Au.

Au regard des valeurs d’énergie d’activation présentées dans le tableau 4, les catalyseurs

monométalliques (Pt et Au) de même que les catalyseurs bimétalliques (Au70Pt30 et Au50Pt50)

présentent des valeurs d’énergie d’activation inférieures à 50 kJ.mol-1, ce qui sous entend que

pour ces catalyseurs, quel que soit le pic voltammétrique considéré, la réaction d’oxydation

du glucose est cinétiquement limitée par un phénomène de transport de matière.

L’étude suivante va nous conduire à la détermination des intermédiaires et des produits

d’oxydation de la molécule de glucose.

89

IV. 4. Etude par spectroscopie IR de réflexion in situ de l’électrooxydation

du glucose

La spectroscopie infrarouge de réflexion in situ à transformée de Fourier, sous la variante

SPAIRS (Single Potential Alteration Infrared Reflectance Spectroscopy), a été utilisée pour

l’étude de l’électrooxydation de la molécule de glucose sur les nanocatalyseurs à base de

platine et d’or, en milieu alcalin. Le but de cette étude par spectroscopie est d’identifier des

intermédiaires réactionnels adsorbés ou non, et les produits finaux.

Toutes les mesures ont été effectuées dans NaOH 0,1 mol.L-1 en présence de 0,1 mol.L-1

de glucose. Les réflectivités sont enregistrées tous les 50 mV, entre 50 et 1550 mV vs. ERH

pour un cycle voltammétrique enregistré à 1 mV.s-1. Les spectres sont exprimés en variation

relative de réflectivité (∆R/R).

IV. 4. 1 Oxydation du glucose sur l’électrode de Pt/C

La figure 36 représente le voltammogramme de l’oxydation du glucose sur Pt/C couplé à

la spectroscopie IR. Il est enregistré à une vitesse de variation de potentiel de 1 mV.s-1

pendant que les spectres IR sont collectés tous les 50 mV.

90

Figure 36: Voltammogramme de Pt/C en milieu NaOH 0,1 mol.L-1 et en présence de glucose

0,1 mol.L-1 enregistré à 1 mV.s-1

Le voltammogramme de la figure 36, correspond au premier cycle voltammétrique sur

une électrode de Pt/C. Il a été enregistré à une faible vitesse de variation linéaire de potentiel

dans la cellule spectroélectrochimique. En le comparant à celui de la figure 35(1), enregistré à

20 mV s-1 dans la cellule électrochimique classique, on peut affirmer qu’il se produit le

même processus électrochimique de déshydrogénation du glucose et que par conséquent, les

spectres SPAIR obtenus sont représentatifs de son mécanisme.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

E/ V vs. ERH

j/ m

A.m

g-1

91

Figure 37: Spectres SPAIR de l’oxydation du glucose 0,1 mol.L-1 en milieu NaOH

0,1 mol.L-1 sur Pt/C. (a) variation positive, (b) variation négative du potentiel, de 50 mV à

1550 mV vs. ERH, v = 1 mV.s-1

Sur les spectres de la figure 37, on peut noter la présence de deux bandes ; la première à

1414 cm-1 est attribuée à l’élongation symétrique νs(O-C-O) et la deuxième, à 1587 cm-1 est

attribuée à l’élongation antisymétrique νas(O-C-O), indiquant clairement la formation du

gluconate sur toute la gamme de potentiel, c’est-à-dire de 0,1 V vs ERH jusqu’à la limite

supérieure du potentiel (1,55 V vs ERH) et tout au long de la variation négative de potentiel

(tracé retour). Aux potentiels élevés marqués tout d’abord par un épaulement vers 0,8 V vs

ERH, apparaît à 1,2 V vs ERH une bande située à 1732 cm-1 ; elle correspond à l’élongation

ν(C=O), caractéristique de la présence de δ-gluconolactone [19, 26]. Lorsque cette lactone se

désorbe de la surface de l’électrode, elle diffuse en solution où elle subit une hydrolyse

ouvrant ainsi sa forme cyclique en groupe carboxylique. On observe aussi une faible bande

vers 2052 cm-1. Elle correspond aux espèces CO adsorbées linéairement sur le platine qui

résulteraient de la chimisorption dissociative de la molécule de glucose. Enfin, une dernière

bande est présente à 2343 cm-1, indiquant la présence du CO2 résultant de l’oxydation du CO

adsorbé. La présence de cette bande indique par ailleurs un pH localement acide à l‘interface

de l’électrode, au cours de la déshydrogénation de la molécule du glucose. En plus des

observations précédentes, on peut noter qu’il existe une corrélation entre l’intensité de la

bande à 1732 cm-1 (δ-gluconolactone) et celles du gluconate à 1414 et 1587 cm-1.

(a) (b)

1414 cm-1

2343 cm-1

1732 cm-1

1587 cm-1

2052 cm-1

92

IV. 4. 2 Oxydation du glucose sur l’électrode de Au/C

L’étude de l’oxydation du glucose sur Au/C a été menée par voltammétrie couplée à la

spectroscopie infrarouge in situ. Le voltammogramme obtenu (figure 38) a été enregistré dans

les mêmes conditions que celles du Pt/C.

Figure 38: Voltammogramme de Au/C en milieu NaOH 0,1 mol.L-1 et en présence du

glucose 0,1 mol.L-1 enregistré à 1 mV.s-1

Comme pour le platine, ce voltammogramme est semblable à celui de Au/C enregistré

dans les mêmes conditions à une vitesse de variation linéaire de potentiel de 20 mV.s-1 (figure

35 (4)).

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-1

0

1

2

3

4

5

6

7

j/ m

A.m

g-1

E/ V vs. ERH

93

Figure 39: Spectres SPAIR de l’oxydation du glucose 0,1 mol.L-1 en milieu NaOH 0,1

mol.L-1 sur Au/C. (a) variation positive, (b) variation négative du potentiel, de 50 mV à 1550

mV vs. ERH, v = 1 mV.s-1

Les spectres IR de la figure 39 présentent les mêmes bandes que celles précédemment

obtenues sur le platine indiquant donc la présence des mêmes intermédiaires réactionnels et

produits finaux mais avec des intensités relatives différentes. En effet, l’intensité de la bande

caractéristique de la gluconolactone (à 1732 cm-1) est très faible contrairement à ce qui a été

observé pour le catalyseur Pt/C. Par ailleurs, le gluconate commence à se former à un

potentiel plus élevé (à environ 0,4 V vs ERH) sur le catalyseur Au/C. On constate par ailleurs

l’absence de bandes caractéristiques du CO adsorbé sur l’or. Toutefois, la bande

caractéristique du CO2 est présente à 2343 cm-1.

IV. 4. 3 Oxydation du glucose sur les catalyseurs bimétalliques

Pour ce qui est de l’oxydation du glucose sur les catalyseurs bimétalliques Au70Pt30 et

Au50Pt50, les voltammogrammes obtenus sont présentés sur la figure 40. Ces

voltammogrammes enregistrés à 1 mV.s-1, montrent les mêmes comportements que ceux

enregistrés à 20 mV.s-1 (figures 35(2) et 35(3)) dans les mêmes conditions avec des densités

de courant plus élevées sur le catalyseur de composition Au70Pt30. Les mêmes conclusions

peuvent donc être avancées en ce sens que le même processus d’oxydation du glucose a lieu

sur les catalyseurs mono et bimétalliques composés de Pt et Au.

(a) (b)

Nombre d’onde/ cm-1 Nombre d’onde/ cm-1

1732 cm-1

1587 cm-11414 cm-1

2343 cm-1

94

Figure 40: Voltammogrammes de l’oxydation du glucose 0,1 mol.L-1 en milieu NaOH

0,1 mol.L-1 sur (a) Au70Pt30/C et (b) Au50Pt50/C enregistré à 1 mV.s- 1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

E/ V vs. ERH

j/ m

A.m

g-1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-1

0

1

2

3

4

5

6

7

j/ m

A.m

g-1

E/ V vs. ERH

(a)

(b)

95

Figure 41: Spectres SPAIR de l’oxydation du glucose 0,1 mol.L-1 en milieu NaOH

0,1 mol.L-1 sur (a) Au70Pt30/C et (b) Au50Pt50/C.

La figure 41 présente l’ensemble des spectres obtenus sur les catalyseurs Au70Pt30/C (a)

et Au50Pt50/C (b). Il en ressort que ces catalyseurs présentent les mêmes caractéristiques que

celles obtenues sur le platine. Bien qu’il y ait une teneur en Pt plus élevée dans Au50Pt50/C

que dans Au70Pt30/C, l’oxydation dissociative du glucose pour former CO débute à 0,6 V vs.

ERH sur Au70Pt30/C tout comme sur Pt/C seul.

1400 1600 1800 2000 2200 2400

0.05 V vs. ERH

1.55 V vs. ERH

1.4 V vs. ERH

1.2 V vs. ERH

1.0 V vs. ERH

0.8 V vs. ERH

0.6 V vs. ERH

0.4 V vs. ERH

0.2 V vs. ERH

Nombres d'onde/cm -1

∆∆ ∆∆R

/R (

%)

0.02

1400 1600 1800 2000 2200 2400

0.05 V vs. ERH

0.2 V vs. ERH

0.4 V vs. ERH

0.6 V vs. ERH

0.8 V vs. ERH

1.0 V vs. ERH

1.2 V vs. ERH

1.4 V vs. ERH

1.55 V vs. ERH

0.02

Nombres d'onde/cm -1 ∆∆ ∆∆

R/R

(%

)

(a)

Au70Pt30

1400 1600 1800 2000 2200 2400

2343

1732

15871414

1,55 V vs. ERH

1,4 V vs. ERH

1,2 V vs. ERH

1,0 V vs. ERH

0,8 V vs. ERH

0,6 V vs. ERH

0,4 V vs. ERH

0,2 V vs. ERH

0,05 V vs. ERH

Nombres d'onde/cm -1

∆∆ ∆∆R/R

(%

)

0,02

1400 1600 1800 2000 2200 2400

∆∆ ∆∆R/R

(%

)

Nombres d'onde/cm -1

0,02

0,05 V vs. ERH

0,2 V vs. ERH

0,4 V vs. ERH

0,6 V vs. ERH

0,8 V vs. ERH

1,0 V vs. ERH

1,2 V vs. ERH

1,4 V vs. ERH

1,55 V vs. ERH

Au50Pt50

(b)

96

IV. 5. Oxydation du glucose en milieu tampon phosphate pH 7,4

Cette partie concerne l’étude de l’oxydation de la molécule du glucose en milieu tampon

phosphate (pH 7,4). Cette étude est réalisée par voltammétrie cyclique à variation linéaire de

potentiel.

IV. 5. 1 Présentation des voltammogrammes des nanomatériaux d’électrode en milieu tampon phosphate

Les voltammogrammes obtenus pour les différents catalyseurs tracés en milieu tampon

phosphate sont présentés sur la figure 42.

Figure 42: Voltammogrammes des différents matériaux d’électrode enregistrés après 34

cycles à 20 mV.s-1 en milieu tampon phosphate 0,2 mol.L-1 (pH 7,4) et en présence de glucose

10 mmol.L-1.

Le comportement électrochimique de ces nanocatalyseurs en milieu physiologique

semble être le même qu’en milieu alcalin. En effet, en observant l’oxydation du glucose sur

les bimétalliques Au70Pt30 et Au50Pt50, on remarque que la déshydrogénation de la molécule

de glucose débute à bas potentiel (-0,4 V vs ECS) en comparaison de ce qui est observé sur le

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

j/ m

A.m

g-1

E/ V vs. ECS

Au70Pt30 Au50Pt50 Pt Au

97

platine seul Pt (-0,34 V vs ECS). Le platine présente en outre des faibles densités de courant.

Cela peut être dû à l’adsorption compétitive entre la molécule de glucose et les espèces

phosphatées à la surface de platine. Ces espèces peuvent former des liaisons oxygène-métal à

la surface de platine et provoquer de ce fait, l’inhibition de l’oxydation du glucose tout en

bloquant certains sites actifs [21]. Le même constat n’est pas fait sur les matériaux

bimétalliques en raison de la présence de l’or qui modifierait l’orbitale 5d du platine et par la

même occasion, empêcherait l’adsorption des espèces phosphatées à la surface du catalyseur.

Par conséquent, après le phénomène de déshydrogénation, on assiste à une augmentation des

densités de courant sur les catalyseurs bimétalliques, pour atteindre des valeurs de

16,5 mA.mg-1 pour Au70Pt30 et 14 mA.mg-1 pour Au50Pt50. Comme on peut le voir, la densité

de courant augmente lorsque la teneur en Pt diminue dans le matériau bimétallique. Cela

s’expliquerait par l’effet promoteur de l’or sur le platine vis-à-vis de l’oxydation du glucose.

Cette variation de densité de courant n’est cependant pas observable sur l’or seul sans doute à

cause du faible pouvoir de déshydrogénation de ce métal.

Par cette nouvelle méthode de synthèse de nanomatériaux par « échange anionique », la

figure 42 montre l’intérêt majeur d’utiliser le catalyseur de composition nominale Au70Pt30

pour l’oxydation de la molécule de glucose en milieu physiologique avec une oxydation

débutant à -0,55 V vs ECS.

IV. 5. 2 Effet de la température sur l’oxydation du glucose sur les catalyseurs Au/C, Pt/C, Au70Pt30/C et Au50Pt50/C

Cette étude a été effectuée pour des températures comprises entre 2 et 80 °C. Il s’avère

alors important de déterminer l’énergie d’activation sur chaque pic d’oxydation. Ce calcul a

été fait grâce à l’équation 16 sus indiquée.

98

Figure 43: Voltammogrammes obtenus en milieu tampon phosphate 0,2 mol.L-1 (pH 7,4) en

présence de 10 mmol.L-1 de glucose à différentes températures. (1) avec Pt/C, (2) Au50Pt50/C

v = 20 mV.s-1.

2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.70.0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1000/T / K-1

log(

j)/ m

A.m

g-1

Pic A Pic B Pic C

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8-9

-6

-3

0

3

6

9

12

15

18

E/ V vs.ECS

j/ m

A.m

g-1 A

CB

2°C 12°C 30°C 40°C

2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.70.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1000/T / K-1

log(

j)/ m

A.m

g-1

Pic A Pic B Pic C

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8-4

-2

0

2

4

6

8

E/ V vs.ECS

j/ m

A.m

g-1 A

BC

2°C 12°C 30°C 40°C

(1) (1)

(2)(2)

Pt/C

Au 50Pt50/C

99

Figure 44: Voltammogrammes obtenus en milieu tampon phosphate 0,2 mol.L-1 (pH 7,4) en

présence de 10 mmol.L-1 de glucose à différentes températures. (3) Au70Pt30/C et (4) Au/C.

v = 20 mV.s-1.

Sur tous les voltammogrammes présentés sur les figures 43 et 44, on observe que

l’intensité de chaque pic d’oxydation augmente avec la température à l’exception du pic de

déshydrogénation de la molécule de glucose pour lequel une diminution est remarquée

lorsque la température dépasse 30 °C. Cela a déjà été observé lors de l’étude précédente en

milieu alcalin avec diminution de la densité de courant au-delà 60 °C engendrée par la

dégradation de la molécule de glucose.

2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1000/T / K-1

log(

j)/ m

A.m

g-1

Pic A Pic B Pic C

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

E/ V vs.ECS

j/ m

A.m

g-1 A

C

2°C 12°C 30°C 40°C

B

(3) (3)

Au 70Pt30/C

2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.70.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1000/T / K-1

log(

j)/ m

A.m

g-1

Pic A Pic B Pic C

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8-4

-2

0

2

4

6

E/ V vs.ECS

j/ m

A.m

g-1

BA

2°C 12°C 30°C 40°C

Au

(4) (4)

100

Energies d’activation (kJ.mol-1)

Catalyseurs

Pics Pt Au50Pt50 Au70Pt30 Au

A 9,3 8,5 9,0 19,5

B 22,7 21,6 26,0 19,8

C 19,0 16,3 20,0 42,8

D 36,9 23,0 30,8

Tableau 5: Valeurs des énergies d'activation calculées sur chaque pic d’oxydation du glucose

à la surface des catalyseurs à base de platine et d’or.

Au vu des valeurs des énergies d’activation calculées et résumées dans le tableau 5, on

remarque que les catalyseurs monométalliques et bimétalliques présentent des valeurs

d’énergie inférieures à 50 kJ.mol-1 traduisant ainsi que la réaction d’oxydation est

cinétiquement limitée par la diffusion de la molécule de glucose.

IV. 6. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié l’oxydation du glucose sur différents catalyseurs à

base de platine et d’or dans deux milieux distincts : le milieu alcalin NaOH 0,1 mol.L-1 et le

milieu tampon phosphate 0.2 mol.L-1 pour une valeur de pH équivalente à 7,4.

Ces travaux ont permis de démontrer l’existence d’un effet de synergie entre le platine et

l’or pour les matériaux bimétalliques. En effet, quel que soit le milieu d’étude, on a remarqué

que ces matériaux présentent de grandes densités de courant après déshydrogénation de la

molécule de glucose. Parmi ces catalyseurs bimétalliques, c’est la composition Au70Pt30/C qui

présente la meilleure activité. En milieu physiologique, la présence de Au dans la composition

bimétallique empêche l’effet inhibiteur des espèces phosphatées sur le platine lors de

l’oxydation du glucose.

L’étude de l’effet de la température fait état d’énergies d’activation d’oxydation

inférieures à 50 kJ.mol-1 sur les catalyseurs monométalliques (Au/C et Pt/C) et bimétalliques

(Au50Pt50/C et Au70Pt30/C). La réaction d’oxydation du glucose est donc cinétiquement limitée

à bas potentiel par le phénomène de transport de matière.

101

L’analyse par spectroscopie infrarouge a mis en évidence la présence des deux bandes

caractéristiques du gluconate aux alentours de 1414 et 1583 cm-1, lors de l’oxydation du

glucose sur tous les catalyseurs envisagés. Il a été également observé une bande à 1732 cm-1 ,

caractéristique de la δ-gluconolactone. La δ-gluconolactone constitue donc le produit primaire

de la réaction dont l’hydrolyse en solution conduit à la formation du gluconate. Pour tous les

catalyseurs, la bande caractéristique du CO2 à 2343 cm-1 est observée. Sa présence sur le

spectre est due au film mince de l’interface électrode/solution dans la cellule

spectroélectrochimique où un pH local acide s’explique par le processus de déshydrogénation

du glucose. En solution aqueuse basique, le dioxyde de carbone se transforme en carbonate.

102

103

CHAPITRE V- REDUCTION ENZYMATIQUE DE LA MOLECULE

DE DIOXYGENE PAR LA BOD

104

105

V. Réduction enzymatique de la molécule de dioxygène par la bilirubine

oxydase

Ce chapitre est consacré à la réduction moléculaire d’oxygène en eau catalysée par une

enzyme : la bilirubine oxydase (BOD) couplée à un médiateur redox. Dans un premier temps,

les caractéristiques des différents médiateurs redox envisagés sont présentées ainsi que la

technique utilisée pour immobiliser l’enzyme à la surface de l’électrode. Après avoir

caractérisé électrochimiquement cette réaction enzymatique, celle-ci sera comparée à la

réduction de l’oxygène sur le platine.

V. 1. Electroréduction de la molécule d’oxygène par la bilirubine oxydase

(BOD)

Le choix porté sur la BOD pour la réduction de la molécule d’oxygène réside sur les

performances qu’elle offre en milieu physiologique. Pour optimiser ces performances, le

transfert électronique entre l’enzyme et l’électrode se fera de manière indirecte, grâce à des

médiateurs redox tels que l’acide 2,2’-azinobis-3-éthylbenzothiazoline-5-sulfonique (ABTS)

et un complexe d’osmium :

[Os(4,4’-dichloro-2,2’-bipyridine)2(4-aminomethyl-pyridine) Cl]PF6.

V. 1. 1 Etude voltammétrique de l’acide 2,2’-azinobis-3-

éthylbenzothiazoline-5-sulfonique (ABTS) en milieu tampon phosphate.

L’étude électrochimique de l’ABTS a été réalisée en milieu tampon phosphate pH 7,4

(Figure 45). Le voltammogramme obtenu présente un système quasi-réversible avec un pic

d’oxydation situé à un potentiel de 0,49 V vs. ECS et un pic de réduction à 0,382 V vs. ECS.

Le potentiel apparent obtenu de l’ABTS est donc de 0,44 V vs. ECS. Cette valeur de potentiel

est proche de la valeur mentionnée dans la littérature [64]. De plus, ce potentiel est très proche

du potentiel T1 de la BOD provenant de la souche Myrothecium verrucaria (0,43 vs. ECS)

[112, 123]. Nous avons mentionné dans le chapitre I que le transfert électronique entre

l’enzyme et le substrat n’était favorable que si le potentiel du site T1 de l’enzyme est supérieur

à celui du médiateur. La particularité de ce médiateur est qu’il présente un couple redox

106

(ABTS.-/ABTS2-) qui assure le transfert électronique. Ce couple redox est représenté sur la

figure 46.

Figure 45: Voltammogramme de l'ABTS 0,5 mmol.L-1 enregistré en milieu tampon

phosphate 0,2 mol.L-1 (pH 7,4 ) à 22 °C. v = 20 mV.s-1, sur une électrode de carbone vitreux.

Figure 46: Couple redox ABTS.-/ABTS2-

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

-0.9

-0.6

-0.3

0.0

0.3

0.6

0.9

j / m

A.c

m-2

E / V vs. ECS

0,44 V

107

V. 1. 2 Etude voltammétrique du complexe d’osmium : [Os(4,4’-dichloro-

2,2’-bipyridine) 2(4-aminomethyl-pyridine)Cl]PF6

Le complexe d’osmium utilisé pour ce travail a été synthétisé par l’équipe du Professeur

Donald Leech1 au « Department of Chemistry, National University of Ireland » en partant de

la procédure mentionnée dans la littérature [167]. Brièvement la synthèse s’effectue en partant

des composés (NH4)2OsCl6 et 4,4'-dichloro-2,2'-bipyridine pour former le complexe cis-

Os(4,4'-dichloro-2,2'-bipyridine)2Cl2 [104]. La substitution d’un chlorure par 4-aminométhyl-

pyridine a été obtenue en chauffant à reflux une solution d’éthylène glycol. Le complexe

d’osmium a été obtenu par précipitation à l’aide d’une solution aqueuse de NH4PF6. La

structure obtenue est présentée sur la figure 47.

Figure 47: Structure du médiateur à base du complexe d'osmium

L’étude voltammétrique du complexe d’osmium a été réalisée par prélèvement de 3 µL

d’une encre préalablement préparée à partir de 7,5 mg de ce complexe dans 330 µL d’une

solution tampon phosphate 0,2 mol.L-1 à pH 7,4 et 25 µL de Nafion®. Cette encre est déposée

sur un disque de carbone vitreux (3 mm de diamètre). Le voltammogramme obtenu est

présenté sur la figure 48.

1 Ce travail de coopération entre l’Université de Poitiers, l’IEM de Montpellier et l’Université Nationale d’Irlande (Galway) a été financé par le Programme Hubert Curien « Ulysses » n° 21262ZA

108

Figure 48: Voltammogramme du complexe d'osmium obtenu sur un embout de carbone

vitreux dans une solution tampon phosphate pH 7,4 sous atmosphère d’azote. v = 20 mV.s-1

Le complexe d’osmium présente un potentiel redox de 0,40 V vs. ECS (figure 48), ce qui

est proche du site T1 de la BOD (0,43 V vs. ECS). Le rapport entre la densité de courant du

pic anodique et cathodique est de 0,87 (c’est-à-dire proche de 1), et la différence de potentiel

entre ces deux pics est de 157 mV. Ces valeurs confèrent au complexe un système quasi-

réversible. Le complexe d’osmium reste donc un médiateur intéressant pour le transfert

électronique entre l’enzyme et le support conducteur, grâce à la fois à sa stabilité et à son état

d’oxydation (Os3+/Os2+) [78, 101, 102, 168].

V. 2 Immobilisation de la BOD et du médiateur dans une matrice de

Nafion®

Cette technique d’immobilisation a été développée au laboratoire. Elle consiste à confiner

l’enzyme et le médiateur dans une matrice de Nafion sur du carbone Vulcan XC72R. Grâce à

cette méthode, Habrioux et col. ont pu obtenir des densités de puissance de l’ordre de

170 µW.cm-2 [127]. C’est la raison pour laquelle notre choix s’est porté sur ce système. Cette

procédure d’immobilisation nécessite la préparation préalable de deux solutions :

Solution d’ABTS 18 mM dans de la solution tampon phosphate pH 7,4 Solution d’osmium 24,5 mM dans de la solution tampon phosphate pH 7,4

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

-0.9

-0.6

-0.3

0.0

0.3

0.6

0.9

0,4 V

E / V vs. ECS

j / m

A.c

m-2

109

L’encre pour le système BOD/ABST/Nafion comprend 3 mg de Vulcan XC72R, 22 µL ABTS, 330 µL Tampon phosphate 7,4. L’ensemble est mis aux ultrasons pendant 10 min. A cette solution 1,5 - 2 mg de BOD sont ajoutés ainsi que 48 µL de Nafion® à 5% (homogénéisation manuelle).

L’encre pour le système BOD/Os/Nafion est préparé en prélevant 330 µL de solution d’Os précédemment préparée auxquels 3 mg de Vulcan XC72R sont ajoutés. La solution est portée aux ultrasons pendant 10 min. Comme précédemment à cette solution 1,5 - 2 mg de BOD sont ajoutés ainsi que 48 µL de Nafion® à 5%. L’encre obtenue est homogénéisée manuellement.

Les encres ainsi préparées sont prêtes pour les caractérisations électrochimiques en prélevant à chaque mesure, une quantité de 3 µL d’encre à déposer sur un embout de carbone vitreux.

V. 3 Comparaison des biocathodes et d’une cathode de platine pour la

réduction d’O2

V.3.1 Etude sur une électrode à disque tournant

Les biocathodes étudiées ont été préparées selon la procédure exposée précédemment. La

BOD et le médiateur électrochimique, soit l’ABTS, soit le complexe d’osmium, sont

immobilisés à la surface de l’électrode grâce à du Nafion®. Les courbes obtenues à la figure

49 montrent clairement que l’utilisation du catalyseur enzymatique conduit à de faibles

surtensions lors de la réduction de l’oxygène moléculaire. Des valeurs élevées de potentiel de

demi-vague sont obtenues pour le catalyseur enzymatique, par exemple à 0,461 V vs. ECS

pour le système BOD/ABTS/Nafion et à 0,438 V vs. ECS pour le système BOD/Os/Nafion.

L’électroréduction de l’oxygène sur des nanocatalyseurs de platine a été comparée aux

résultats précédents pour les mêmes conditions expérimentales. Les nanoparticules de platine

ont été synthétisées par la méthode « water in oil microemulsion » et dispersées sur du

carbone Vulcan XC72R pour un taux de charge métallique de 40 %. Pour ce catalyseur, la

réduction de l’oxygène intervient pour une surtension élevée (potentiel de début de réaction :

0,35 V vs. ECS) soit un écart de 0,2 V avec les résultats précédents. Le potentiel de demi-

vague est également plus faible (0,2 V vs. ECS).

110

Pour ce qui concerne les valeurs des courants limites de diffusion, le platine présente une

valeur de -1,3 mA.cm-2. Pour le catalyseur enzymatique, la densité de courant limite est

beaucoup plus faible (jL = -0,6 mA.cm-2). Bien qu’il puisse avoir un problème d’accessibilité

des sites actifs au sein du polymère de Nafion, les deux densités de courant limite sont

difficilement comparables. Par contre, la catalyse enzymatique permet une meilleure

activation de l’oxygène moléculaire compte tenu des faibles surtensions à sa surface. Pour

accéder au nombre d’électrons échangés lors de la réaction de réduction de O2 (ORR) sur

chaque catalyseur, l’emploi de l’électrode à disque et anneau tournants (EDAT) a été

envisagé.

Figure 49: Courbes de polarisation de réduction du dioxygène dissous catalysée par le

système enzymatique BOD/ABTS/Nafion® et BOD/Os/Nafion® et le système métallique Pt/C

en milieu tampon phosphate 0,2 mol.L-1 à pH 7,4 ; enregistrées à 22 °C pour une vitesse de

rotation de 100 rpm et une variation linéaire de potentiel de 3 mV.s-1

111

V.3.2 Etude sur une électrode à disque et anneau tournants

L’intérêt de cette étude sur EDAT réside dans le fait que dans le même dispositif, il est

possible de réduire l’oxygène sur le disque et de suivre l’évolution des produits de réaction

sur l’anneau. En appliquant dans ce cas un potentiel de 0,9 V vs. ECS à l’anneau, il est

possible de vérifier la production ou non de peroxyde d’hydrogène, produit de la réaction de

l’oxygène pour une réduction à deux électrons.

Figure 50: Courbes de polarisation de la réaction de réduction du dioxygène dans une

solution de tampon phosphate 0,2 mol.L-1 (pH 7,4) saturée en oxygène, pour le système :

platine massif (a), platine nanométrique (b) et le système enzymatique BOD/ABTS/Nafion

(cercles) et pour BOD/Os/Nafion (carrés) représentant les densités de courant enregistrées sur

le disque (c). Les densités de courant enregistrées sur l’anneau sont obtenues en fixant un

potentiel de 0,9 V vs. ECS. Ces différentes courbes ont été tracées à une vitesse de rotation de

l’électrode de 100 rpm et pour une vitesse de variation linéaire de potentiel de 3 mV.s-1 [169].

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

j/mA

.cm

-2 j

/µA

.cm

-2

E/ V vs. ECS

BOD/Os/Nafion BOD/Os/Nafion BOD/ABTS/Nafion BOD/ABTS/Nafion

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

-1.2

-0.8

-0.4

0.0

0.4

0.8

1.2

E/ V vs. ECS

j/mA

.cm

-2 j

/µA

.cm

-2

-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

-1.2

-0.8

-0.4

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

E/V vs. ECS

j/mA

.cm

-2

j/

µA.c

m-2

Pt massif Pt /C

Système enzymatique

(a ) (b)

(C )

112

La figure 50 présente les courbes de polarisation de la réaction de réduction de l’oxygène

moléculaire catalysée par le platine massif (a), le platine nanométrique (b) et le système

enzymatique utilisant l’ABTS ou le complexe d’osmium comme médiateur (c). Que ce soit

pour le platine massif ou nanoparticulaires, la densité de courant limite de diffusion

correspondant à la réduction de O2 atteint 1,2 mA.cm-2 ce qui est proche de la valeur

théorique pour une réaction avec l’échange de quatre électrons. En effet cette densité de

courant limite de diffusion théorique est égale 1.17 mA cm−2 selon l’équation de Levich :

c'ijjkiQ 0,20 9 (l m:/o νqT/r sR√Ω (Eq. 16)

où nt est le nombre total d’électrons échangés (ici 4), D = 2.1×10−5 cm2 s−1 pour le coefficient

de diffusion de l’oxygène moléculaire, Ω est la vitesse de rotation (en rpm),

ν = 1.075× 10−2 cm2 s−1 est la viscosité cinématique et Co est la concentration en oxygène

dans l’électrolyte saturé. La valeur de Co a été prise comme la moyenne des concentrations en

dioxygène reportées dans la bibliographie (1.03×10−6 mol cm−3 en milieu acide [170] et

0.835×10−6 mol cm−3 en milieu alcalin [171]).

Par ailleurs, on peut remarquer que lorsque la réduction de l’oxygène moléculaire est

catalysée par le platine massif (figure 50-a), on observe une variation de courant anodique

correspondant à l’oxydation d’un intermédiaire réactionnel à savoir le peroxyde d’hydrogène

sur l’anneau. Sur la figure 50-b où la réduction est catalysée par le platine nanométrique, on

observe une faible modulation des densités de courant anodique. Enfin, sur le système

enzymatique (figure 50-c) lorsque le transfert d’électrons est assuré par l’ABTS, le signal de

réduction électrochimique de l’oxygène moléculaire sur le disque apparaît aux alentours de

0,53 V vs. ECS contre 0,54 V vs. ECS en utilisant le complexe d’osmium. Au niveau des

densités de courant, on remarque des valeurs légèrement plus élevées sur le système constitué

d’ABTS, soit 0,67 contre 0,5 mA.cm-2 pour le système formé avec le complexe d’osmium.

Sur l’anneau, aucun courant d’oxydation n’est enregistré, ce qui sous entend que le processus

de la réaction de réduction de l’oxygène catalysée par la BOD avec l’ABTS ou le complexe

d’osmium comme médiateur, ne conduit pas à la formation de peroxyde d’hydrogène, comme

l’a montré indirectement Tsujimura et col. [77].

113

V. 4. Conclusion

Ce chapitre s’est focalisé sur la réduction de l’oxygène moléculaire. Cette réduction a été

catalysée par une enzyme, la bilirubine oxydase, par transfert électronique indirect en utilisant

deux médiateurs différents : l’ABTS ou un complexe d’osmium. Dans un premier temps,

l’étude voltammétrique a montré que les deux médiateurs présentent un système quasi-

réversible avec des potentiels de demi-vague de 0,44 V vs. ECS pour l’ABTS et 0,40 V vs.

ECS pour le complexe d’osmium. Ces valeurs de potentiel sont proches du potentiel redox du

site T1 de la BOD (0,43 V vs. ECS). L’activité d’électroréduction de l’oxygène moléculaire

sur l’EDT a ensuite été étudiée par comparaison des courbes de polarisation sur les

catalyseurs métallique (nanoparticules de platine) et enzymatique (BOD) associé avec

différents médiateurs précédemment cités. Les résultats obtenus ont montré un intérêt

considérable à l’utilisation du catalyseur enzymatique que ce soit avec le médiateur ABTS ou

le complexe d’osmium. Le catalyseur BOD présente une surtension bien inférieure à celle

enregistrée sur le platine avec un écart de 0,2 V. L’étude de la réduction de l’oxygène

moléculaire en utilisant l’EDAT a montré que la réduction de l’oxygène commence

respectivement à 0,530 et 0,540 V vs. ECS sur les systèmes BOD/ABTS et BOD/Os. En

outre, aucun courant d’oxydation n’a été observé sur l’anneau, impliquant que le peroxyde

d’hydrogène ne se forme pas sur ces deux systèmes. Cela permet de conclure que la réaction

de réduction de l’oxygène se fait à quatre électrons pour donner de l’eau.

114

115

CONCLUSION GÉNÉRALE

116

117

CONCLUSION GÉNÉRALE

L’objectif de ce travail était de mener une étude sur les interfaces d’une biopile

glucose/O2. D’un côté, l’anode de la pile, siège de la réaction d’oxydation du glucose, est

catalysée par des matériaux abiotiques à base d’or et de platine. De l’autre côté, la réaction de

réduction de l’oxygène moléculaire est réalisée sur une cathode constituée par la bilirubine

oxydase (BOD) qui est une enzyme stable à pH 7.

Pour atteindre cet objectif, des nanomatériaux à base de platine et d’or ont été synthétisés.

Grâce à une méthode nouvellement mise au point durant cette thèse appelée « Méthode

Echange d’Anions ». Ces nanomatériaux synthétisés ont été caractérisés par des méthodes

physicochimiques. Les analyses par la microscopie électronique en transmission (MET) ont

montré que les nanoparticules présentent une très bonne dispersion sur le carbone Vulcan

XC72R avec des tailles moyennes de 2,81 nm pour le platine, 3,13 nm pour l’or, 2,57 nm

pour Au70Pt30 et 3,39 nm pour Au50Pt50. Le calcul des paramètres de maille effectué sur les

diffractogrammes de rayons X (DRX) montre qu’il y a une contraction du réseau cristallin à

travers les nanoparticules de platine. En effet, le paramètre de maille du platine nanométrique

est légèrement inférieur à celui du platine massif soit 3,916 Å contre 3,924 Å. Pour les

matériaux bimétalliques, les paramètres de maille obtenus sont de 3,988 Å pour Au50Pt50 et

3,994 Å pour Au70Pt30.

La caractérisation électrochimique des nanoparticules bimétalliques a révélé que le

champ électrique généré par le potentiel appliqué modifie les particules de surface. En effet,

lors des vingt premiers cycles voltammétriques, un réarrangement des atomes de surface se

produit ce qui se traduit par une augmentation du pic de réduction des oxydes ou hydroxydes

d’or et une diminution du pic de réduction des oxydes du platine. Le monoxyde de carbone

(CO) pris comme molécule sonde, a été étudié pour caractériser l’activité catalytique des

matériaux d’électrode et en déterminer leur surface active. Il a été montré que dans les

catalyseurs bimétalliques, l’or a un effet promoteur sur le platine vis-à-vis de l’oxydation de

la molécule de CO. L’analyse par FTIR a mis en évidence deux modes d’adsorption de la

molécule de CO à la surface du catalyseur : un CO linéairement lié et vibrant à 2035 cm-1

(COL) et un CO ponté (COB) qui a une bande centrée à 1840 cm-1. La bande située à

1400 cm-1 a été attribuée aux ions carbonate issus de l’oxydation du monoxyde de carbone en

milieu alcalin. Cet effet de synergie de l’or sur le platine a été confirmé durant l’oxydation de

la molécule glucose sur les matériaux bimétalliques à la surface desquels la réaction de

déshydrogénation du glucose débute à des potentiels plus faibles par rapport au platine seul et

118

quel que soit le milieu électrolytique (basique ou tampon). Le catalyseur de composition

Au70Pt30 présente la meilleure activité catalytique ; les densités de courant mesurées à sa

surface sont largement supérieures aux autres matériaux d’électrodes mono et bimétalliques.

L’étude par FTIR qui résulte du couplage d’une mesure électrochimique et d’une mesure par

spectroscopie IR de réflexion in situ, a permis de déterminer que la δ–gluconolactone est le

produit primaire de l’oxydation du glucose. Cette réaction procède à bas potentiel par la

déshydrogénation du carbone anomérique sur les sites catalytiques du platine. Ce produit

réactionnel à deux électrons échangés s’hydrolyse ensuite pour donner le gluconate.

La réaction de réduction enzymatique de l’oxygène moléculaire a été étudiée avec la

bilirubine oxydase (BOD) comme catalyseur. Pour faciliter le transfert électronique, deux

médiateurs redox, l’acide 2,2’-azinobis-3-éthylbenzothiazoline-5-sulfonique (ABTS) et

[Os(4,4’-dichloro-2,2’-bipyridine)2(4-aminomethyl-pyridine)Cl]PF6 (Os), ont été encapsulés

avec l’enzyme dans une matrice de Nafion® pour créer les interfaces d’études :

BOD/ABTS/O2 et BOD/Os/O2. L’étude voltammétrique des deux médiateurs en milieu

tampon phosphate a révélé deux systèmes quasi-réversibles avec des potentiels apparents de

0,44 V vs. ECS pour l’ABTS et 0,40 V vs. ECS pour le complexe d’osmium, valeurs proches

du potentiel redox du site T1 de la BOD. Bien que difficilement comparables en termes de

densité de courant au catalyseur constitué de nanoparticules de platine, les cathodes

BOD/ABTS et BOD/Os catalysent la réaction de réduction de O2 à des potentiels d’électrode

très proches du potentiel de Nernst. L’étude sur une électrode à disque et anneau tournants

(EDAT) a permis de montrer clairement que la réduction enzymatique de l’oxygène

moléculaire est une réaction à quatre électrons c’est-à-dire sans production de peroxyde

d’hydrogène comme intermédiaire réactionnel.

En perspectives de ce travail, une application en pile pourrait être réalisée en utilisant le

catalyseur Au70Pt30 à l’anode pour l’oxydation du glucose et à la cathode, l’un des deux

systèmes enzymatiques BOD/ABTS et BOD/Os. L’optimisation de la méthode de synthèse

serait également une approche très importante en faisant varier différents paramètres tels que

la température, la concentration en KBr et le volume du réacteur de synthèse.

119

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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RESUME

Les travaux présentés dans cette thèse visent à étudier les interfaces « nanocatalyseur/glucose » et « enzyme/O2 » d’une biopile hybride. Dans ce cadre, une nouvelle méthode de synthèse de nanoparticules à base d’or et de platine a été développée. Ces nanomatériaux ont été caractérisés par différentes méthodes physicochimiques pour connaître leur taille, leur morphologie et leur dispersion dans un substrat carboné (Vulcan XC72R). La surface active de chaque électrode a été déterminée par voltammétrie cyclique et par CO stripping. Il a été montré que dans les catalyseurs AuxPty, l’or a un effet promoteur sur le platine vis-à-vis de l’oxydation du glucose. Le catalyseur Au70Pt30 présente la meilleure activité catalytique. L’étude par spectroélectrochimie a permis de déterminer que la δ–gluconolactone est le produit primaire de l’oxydation du glucose qui procède à bas potentiel par la déshydrogénation du carbone anomérique sur le platine. La réaction de réduction de O2 a été catalysée par une enzyme, la bilirubine oxydase (BOD). Pour faciliter le transfert électronique, deux médiateurs : ABTS et un complexe d’osmium ont été encapsulés avec l’enzyme dans une matrice de Nafion® pour créer les interfaces : BOD/ABTS/O2 et BOD/Os/O2. L’étude voltammétrique des deux médiateurs en milieu tampon phosphate a révélé deux systèmes quasi-réversibles avec des potentiels apparents proches du potentiel redox du site T1 de la BOD. Bien que difficilement comparables en termes de densité de courant au catalyseur constitué de nanoparticules de platine, les cathodes enzymatiques permettent de catalyser à quatre électrons la réduction de O2 à des potentiels très proches du potentiel de Nernst.

Mots clés : Nanoparticules Au-Pt, Oxydation du glucose, CO stripping, Bilirubine oxydase, Médiateur redox, Réduction de l’oxygène

ABSTRACT

The work developed in this thesis concerns the study of the behavior of redox reactions at the interfaces "nanocatalyst/glucose" and "enzyme/O2" for a hybrid Biofuel Cell. In this framework, a novel synthesis method of based gold and platinum nanoparticles has been achieved. These synthesized nanomaterials were characterized by different physicochemical techniques to determine their size, morphology and their dispersion in Vulcan XC72R used as substrate. The active surface area of each electrode material was determined by cyclic voltammetry and CO stripping. It has been shown that in the bimetallic catalyst gold promotes platinum activity towards the glucose oxidation. The bimetallic composition Au70Pt30 exhibits the better efficiency. The study by spectroelectrochemistry determined that the δ-gluconolactone is the primary product of the glucose oxidation which proceeds at low potential by the dehydrogenation of anomeric carbon on platinum. The reduction reaction of O2 was catalyzed by an enzyme, bilirubin oxidase (BOD). Mediated electronic transfer was performed with two redox mediators, ABTS and an Osmium complex (Os). They have been encapsulated with the enzyme in a Nafion® matrix to construct the interfaces: BOD/ABTS/O2 and BOD/Os/O2. The voltammetric study of the mediators in phosphate buffer revealed two quasi-reversible systems with an apparent potential close to the theoretical potential of the T1 BOD center. Although hardly comparable in terms of current density with the Pt nanocatalyst the O2 reduction is a four electron reaction at the cathodes BOD/ABTS and BOD/Os which deliver an electrode potential close to the Nernst one.

Keywords: Au-Pt nanoparticles, Glucose oxidation, CO stripping, Bilirubin oxidase, Redox mediator, Oxygen reduction