Une étude, dont les résultats intitulés «Impact of substrate diffusion and enzyme distribution in 3D-porous electrodes: a combined electrochemical and modelling study of a thermostable H₂/O₂ enzymatic fuel cell» ont été publiés dans la revue Energy & Environmental Science, a permis de développer une biopile aussi efficace qu'une pile à combustible au platine qui pourrait, à terme, offrir une alternative aux piles à combustible nécessitant des métaux rares et coûteux.

Rappelons tout d'abord qu'une pile à combustible «convertit l'énergie chimique de combustion de l'hydrogène en énergie électrique». Considérée «comme un procédé propre (car elle ne rejette aucun gaz à effet de serre)», la pile à combustible utilise pour catalyseurs «des métaux rares et coûteux, tel le platine, pour l'oxydation de l'hydrogène et la réduction de l'oxygène».

Cependant, l'identification, ces dernières années, de biocatalyseurs, des enzymes aux propriétés remarquables, a stimulé la recherche, car «leur activité de transformation de l'oxygène, mais surtout de l'hydrogène, est comparable à celle du platine». Le problème posé était que, jusqu'à récemment, l'activité des hydrogénases était «inhibée par l'oxygène et donc incompatible avec une utilisation en pile».

Les améliorations rapportées par l'étude ici présentée découlent de plusieurs années de travaux pour développer une nouvelle génération de biopiles. Ainsi, le catalyseur chimique (le platine) a été remplacé «par des enzymes bactériennes»: plus précisément, «à l'anode , l'hydrogénase (clé de conversion de l'hydrogène dans de nombreux microorganismes), et la bilirubine oxydase à la cathode». L'hydrogénase identifiée est «active en présence d'oxygène et résistante à certains inhibiteurs du platine comme le monoxyde de carbone». De plus, la biodiversité a été explorée «pour identifier des enzymes thermostables qui résistent à des températures entre 25° et 80°».

Il a fallu, pour «faire évoluer ces bioprocédés du laboratoire vers un développement industriel», lever «deux verrous majeurs», car le premier prototype de 2014 «était notamment limité par les faibles puissances générées et par la stabilité des enzymes» et, en outre, pour diminuer les coûts, il fallait «minimiser les quantités d'enzymes mises en jeu».

 
C'est l'incorporation progressive des deux enzymes thermostables dans une architecture carbonée qui a «apporté une solution à ces trois problématiques». Elle a bénéficié de «la porosité adaptée d'un feutre de carbone» faisant «office de structure hôte pour les enzymes» et servant également «de protection contre des espèces chimiques générées lors de la réduction de l'oxygène» qui «altèrent l'activité des enzymes». De la sorte, la pile peut «fonctionner sans perte de performance pendant plusieurs jours».

Grâce à ce dispositif, cette étude est parvenue «pour la première fois à quantifier la proportion d'enzymes participant effectivement au courant»: il a été ainsi constaté «que les courants délivrés par le biocatalyseur sont très proches des objectifs attendus pour le platine». En outre, «un modèle numérique permettant de déterminer la géométrie optimale de la pile» a été élaboré.

En fin de compte, ces biopiles apparaissent être «une alternative aux piles à combustibles classiques», car «la biomasse peut être utilisée à la fois pour fournir le combustible (l'hydrogène)» et «le catalyseur (les enzymes), par nature renouvelable».