Modification of Carbon Felt for Contruction of Air-Breathing Cathode and Its Application in Microbial Fuel Cell

par Widya Ernayati Kosimaningrum

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Christophe Innocent, B. Buchari et de Marc Cretin.

Soutenue le 13-11-2018

à Montpellier en cotutelle avec l'Institut teknologi Bandung , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut Européen des membranes (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Eniya Listiani Dewi.

Le jury était composé de Christophe Innocent, B. Buchari, Marc Cretin, Eniya Listiani Dewi, Maxime Pontié, Mathieu Etienne, Laurence Soussan, Henry Setiyanto.

Les rapporteurs étaient Maxime Pontié.

  • Titre traduit

    Construction d'une biopile microbienne à un compartiment avec une cathode à air


  • Résumé

    La pile à combustible microbienne, MFC, est un bioengine qui associe respectivement le principe biochimique et le principe électrochimique pour extraire les électrons stockés dans la matière organique et les transformer en électricité. Dans un MFC, des microbes électroactifs vivants, avec son système enzymatique complet, sont utilisés pour biocatalyser l'oxydation du combustible organique; une anode est introduite artificiellement pour détourner les électrons, ce qui a eu pour résultat le système respiratoire bactérien; et à l'opposé, une cathode entraîne le flux d'électrons qui est ensuite commuté sur le courant électrique. Les microbes électroactifs se répandent dans de nombreuses sources telles que le sol, le compost, les boues, les eaux usées, etc. Les aliments pour animaux, les combustibles organiques et / ou d'autres nutriments peuvent également être abondamment présents dans leurs sources matricielles et dans de nombreuses autres sources inestimables, couramment disponibles dans la vie quotidienne. L'abondance bactérienne et le carburant organique illimité sont les deux raisons attrayantes pour le développement d'une source d'énergie durable telle que le MFC, qui attire également notre attention dans cette recherche. Ici, nous avons développé MFC, double chambre (DCMFC) et chambre unique (SCMFC), alimentés par compost de jardin comme source électroactive et acétate de carburant. Pour des raisons de durabilité et d’autres avantages, c’est-à-dire praticables et respectueux de l’environnement, nous nous sommes principalement concentrés sur le SCMFC avec un système de cathodes respiratoires. La problématique commune du SCMFC est la production d’énergie limitée due principalement à la cinétique lente de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) dans la partie cathodique. Par conséquent, il est important de mettre au point le matériau de la cathode respiratoire qui présente une activité de catalyse appropriée vis-à-vis de la perte de réponse optique pour surmonter cette limitation. Le feutre de carbone (CF) est le matériau de support choisi qui convient à la fabrication de cathodes à respiration aérienne. Alors que le platine (Pt) et l’oxyde de manganèse (MnOx), respectivement, en tant que classe de catalyseur suprême et de second rang, ont été développés sur CF grâce à une méthode simple d’électrodéposition. Les matériaux résultants, dénommés ACF@Pt et ACF@MnOx, ont été caractérisés de manière complète par des méthodes électrochimiques et physicochimiques afin de déterminer leurs performances électrocatalytiques, supportant ainsi l’application de cathodes respiratoires. En conséquence, nous avons développé deux principaux types de cathodes respiratoires, à savoir ACF@Pt et ACF@MnOx, appliquées avec succès dans le SCMFC alimenté par du compost de jardin avec une densité de puissance respective de 140 mW m-2 et 110 mW m-2. De plus, les deux matériaux développés révèlent également des applications prometteuses. Par exemple, ACF@Pt a été utilisé comme anode de MFC, à la fois dans DCMFC et SCMFC, et a amélioré la densité de puissance jusqu'à 300 mW m-2. Fait intéressant, il est également montré comme un excellent électrocatalyseur dans la réaction de dégagement d’hydrogène, HER. Alors que le matériau ACF@MnOx présente un électrocatalyseur prometteur dans un système de type électro-Fenton à la minéralisation d'un matériau biréfractif, c'est-à-dire l'un des constituants polluants dangereux des eaux usées.


  • Résumé

    Microbial fuel cell, MFC, is a bioengine that combine biochemical and electrochemical principle respectively to extract the stored electrons in organic material and to turn them into electricity. In an MFC, living electroactive microbes, with its whole enzymatic system, are employed to biocatalyze the oxidation of organic fuel; an anode is artificially introduced to divert the electrons, as resulted in the bacterial respiratory system; and oppositely a cathode drives the electron flow that further be switched to electrical power. Electroactive microbes spread out in numerous sources such as soil, compost, sludge, waste water, and so on. The feed, organic fuel and/or other nutrient, also can abundantly be present in their matrix sources and in many other priceless sources, which commonly available in daily life. Bacterial abundance and unlimited organic fuel are the two attractive reasons for the development of sustainable energy source as such as MFC, which is also drawn our attention in this research. Herein, we developed MFC, double chamber (DCMFC) and single chamber (SCMFC), which powered by garden compost as electroactive source and acetate fuel. For sustainability reason and other advantages i.e. practicability and eco-friendly, we mainly focused on SCMFC with air-breathing cathode system. The common problematic of the SCMFC is the limited power production that mainly due to the slow kinetic of oxygen reduction reaction (ORR) in the cathodic part. Therefore, it is important to developed the material of air-breathing cathode which has a proper catalysis activity toward ORR to overcome this limitation. Carbon felt (CF) is the selected support material that suitable for air-breathing cathode fabrication. While, platinum (Pt) and manganese oxide (MnOx) respectively, as supreme and runner-up catalyst’s class, has been grown on CF through a simple electrodeposition method. The resulting materials, named as ACF@Pt and ACF@MnOx, have been characterized comprehensively by electrochemical and physicochemical methods to determine their electrocatalytic performances, which support for air-breathing cathode application. Accordingly, we have developed two main types of air-breathing cathode, i.e. ACF@Pt and ACF@MnOx, which have been successfully applied in SCMFC powered by garden compost with generated power density respectively 140 mW m-2 and 110 mW m-2. Moreover, the both developed material also reveal some promising application. For instance, ACF@Pt has been applied as MFC’s anode, both in DCMFC and SCMFC, and has improved the power density up to 300 mW m-2. Interestingly, it is also shown as an excellent electrocatalyst in hydrogen evolution reaction, HER. While, the ACF@MnOx material shows a promising electrocatalyst in an electro-Fenton like system to mineralization of biorefractory material i.e. one of the hazardous pollutant constituent of wastewater.


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