IRN MAREES

Nouveaux matériaux et biomatériaux nanostructurés pour les sources d’énergies électriques renouvelables
New nanostructured materials and biomaterials for renewable electrical energy sources

Date d’exercice : 2019.01-2022.12
Directeur FR : Serge Cosnier
Serge.Cosnier@univ-grenoble-alpes.fr
Directeur CH : WANG Erkang
ekwang@ciac.ac.cn
Nombre de laboratoires : 6
Nombre de copublications : 48
Principaux évènements : Congrès internationaux, conférences, échanges de chercheurs…
13-17 Oct. 2018 : atelier preparatoire à Nankin (Chine) pour l’initiation du IRN en 2019.
Villes impliquées : Grenoble, Paris, Bordeaux (France) / Changchun, Nankin, Pékin (Chine)

Introduction

L’IRN MAREES réunira 3 laboratoires français et 3 laboratoires chinois dont deux appartiennent à l’Académie des Sciences de Chine (CAS).

De 2009 à 2012 ces laboratoires ont déjà fait partie du GDRI « Nouvelles approches pour le contrôle de l’eau et les énergies renouvelables via des biocapteurs électrochimiques et des biopiles – CEERBIO » (pilotage par l’Institut Ecologie et Environnement- INEE du CNRS) qui regroupait 11 laboratoires français et 9 chinois et qui a conduit à 6 thèses en cotutelles et une vingtaine de publications.

Missions et thèmes de recherche 

Le consortium actuel présente des domaines d’expertise complémentaires : systèmes électrochimiques, matériaux nanométriques (nanoparticules, couches minces et nanostructures), caractérisations physico-chimiques des surfaces et conversion biologique de l’énergie. L’orientation stratégique de recherche de cet IRN est un programme de collaboration multidisciplinaire dans lequel la science des matériaux est explorée pour développer de nouvelles solutions pour les applications énergétiques.

Le but de l’IRN est d’explorer les mécanismes fondamentaux impliqués dans la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique et son stockage par des matériaux catalytiques, des assemblages supramoléculaires et des biomatériaux tridimensionnels. Par exemple, la transformation de sucre (glucose) et d’oxygène en énergie électrique via des enzymes électriquement connectées à des électrodes. Parallèlement, des approches novatrices dans la conception et la synthèse des matériaux et l’optimisation de leur durabilité seront développées.

Cet IRN constituera une plate-forme commune d’échanges scientifiques sur les développements des (bio)matériaux recouvrant les électrodes et leurs applications technologiques dans le domaine des piles hybrides (enzyme/ catalyseur moléculaire), de biopiles (enzyme/ enzyme) et de photobiopiles (photocatalyseur/ enzyme/ enzyme). Notre programme vise à améliorer les performances des (bio) piles à combustible en concevant des architectures conductrices ou redox tridimensionnelles présentant une forte densité d’enzymes, de photocatalyseurs ou de catalyseurs associée à une excellente connexion électrique des enzymes aux matériaux conducteurs les immobilisant sur l’électrode.

Principaux projets de recherche 

• Stratégies d’élaboration des matériaux impliquant une large variété structurelle des briques de base (nanoparticules, fullerènes, nanotubes de carbone, nanotubes inorganiques,…) et une grande variété de biomolécules.
• Fonctionnalisation des surfaces d’électrodes pour la bioconversion d’énergie et l’alimentation électrique de systèmes électroniques moléculaires et des mémoires redox.
• Caractérisation des surfaces, notamment en milieu aqueux pour tenir compte de la contribution due au solvant et même modéliser ces surfaces et ces interactions.
• Conception, élaboration et caractérisation de piles à combustible (bio, photo).

L’objectif est de stimuler les synergies scientifiques afin de comprendre et contrôler la relation de la chimie et l’adsorption de surface du catalyseur ou des biomolécules, de développer des modèles de surface pour l’immobilisation du catalyseur ou des biomolécules, caractériser très précisément les surfaces résultantes pour comprendre les paramètres clés affectant l’activité catalytique du catalyseur immobilisé ou des enzymes. Le développement de biopiles photo-assistées constituera également un défi de ce IRN en concevant de nouveaux concepts de photo-cathodes et/ou de photo-anodes.

Les institutions et laboratoires impliqués 

Côté français :
• Département de chimie moléculaire (UMR5250 DCM, CNRS/Univ. Grenoble Alpes)
• Institut des Sciences Moléculaires (UMR5255 ISM, CNRS/Univ. de Bordeaux/ Institut Polytechnique de Bordeaux)
• Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (UMR7086 ITODYS, CNRS/Univ. Paris 7)

Côté chinois:
• Changchun Institute of Applied Chemistry,
Chinese Academy of Sciences (CAS)
• Institute of Chemistry, CAS (Beijing)
• Nanjing University of Science and Technology

Le second Sino-France Workshop on “New nanostructured materials and biomaterials for renewable electrical energy sources” (Chairmen : S. Cosnier, E. Wang, H. Chen) a eu lieu à Changchun du 20 au 22 aout 2019. Cet atelier a été couplé à un congrès international organisé par le Prof. Erkang Wang, CAS Changchun Institute of Applied Chemistry, Changchun, China et le Prof. Lehui Lu, Changchun Institute of Applied Chemistry, SKLEAC, CAS, China. La délégation française a participé à ce congrès: The Seventeenth International Symposium on Electroanalytical Chemistry & The Third International Meeting on Electrogenerated Chemiluminescence (17th ISEAC & 3rd ECL) at the Redbuds Hotel, Changchun, August 22-25, qui a rassemblé environ un millier de chercheurs. Il faut souligner que les membres du IRN ont été invités à donner des conférences lors de ce congrès international par le coordinateur chinois du IRN; il a été ainsi présenté 3 conférences plénières, 1 keynote lecture et 11 conférences invitées.