EP4289013A1 - Composition pour la fabrication d'électrode, électrode et procédé associé - Google Patents

Composition pour la fabrication d'électrode, électrode et procédé associé

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EP4289013A1
EP4289013A1 EP22704342.9A EP22704342A EP4289013A1 EP 4289013 A1 EP4289013 A1 EP 4289013A1 EP 22704342 A EP22704342 A EP 22704342A EP 4289013 A1 EP4289013 A1 EP 4289013A1
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EP
European Patent Office
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composition
electrode
catalyst
electrically conductive
chitosan
Prior art date
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Pending
Application number
EP22704342.9A
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German (de)
English (en)
Inventor
Myriam GHODHBANE
Davide Beneventi
Didier Chaussy
Mohamed Naceur Belgacem
Lionel Dubois
Abdelkader Zebda
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Institut Polytechnique de Grenoble, Universite Grenoble Alpes, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Definitions

  • the present invention relates to the field of electrode compositions and materials. It finds a particularly advantageous application in the field of glucose biofuel cell electrodes, for example for powering implanted devices.
  • Active implantable medical devices are generally electrically powered by lithium-ion batteries.
  • lithium-ion batteries have drawbacks, particularly in terms of size and lifespan.
  • a trade-off is required between battery volume and power delivery.
  • the lifespan of lithium-ion batteries is limited, so surgical replacement is required every 5 to 8 years.
  • Biofuel cells and in particular glucose/O 2 biofuel cells, constitute a promising alternative to lithium-ion batteries.
  • Glucose/O 2 biofuel cells convert chemical energy into electrical energy. This conversion is ensured by catalyzed oxidation-reduction reactions of glucose and oxygen.
  • Biofuel cells offer a theoretically sustainable power supply, since the reactants are naturally present in the tissue fluids of the human or animal body.
  • the catalyzed oxidation-reduction reactions take place at the level of the electrodes electrically connected to each other. Reduction of oxygen to water occurs at the cathode, while oxidation of glucose to gluconic acid occurs at the anode.
  • the electron transfers associated with each oxidation-reduction reaction allow the circulation of electrons between the cathode and the anode, and thus the supply of the implantable medical device.
  • the electrodes comprise at least one catalyst which can be either enzymatic or abiotic and an electrically conductive compound based on carbon.
  • the catalyst and the electrically conductive compound based on carbon are generally coated in a binder based on a polymer.
  • the polymer can be chitosan or polyvinyl alcohol (commonly abbreviated P VA).
  • An object of the present invention is therefore to provide a solution improving the electrochemical performance of an electrode.
  • composition for the manufacture of an electrode, the composition comprising:
  • the composition further comprises cellulose microfibrils, the chitosan being encapsulated in the cellulose microfibrils.
  • the cellulose microfibrils create a fibrous mesh linking the electrically conductive compound and the species capable of forming the catalyst, in the composition and in the material of the electrode formed.
  • the cellulose microfibrils make it possible to bind the composition while limiting the coating of the catalyst.
  • the catalytic sites of the catalyst remain accessible to the surrounding environment, thus facilitating the development of redox reactions at the level of the electrode formed.
  • chitosan Since chitosan is in powder form, it is encapsulated in cellulose microfibrils. Since the chitosan is in powder form in the composition, it is in a non-soluble form in the composition. This makes it possible to avoid the coating of the catalyst induced by the use of chitosan in soluble form in the composition. Thus, access to the catalyst is improved.
  • the composition thus makes it possible to obtain an electrode material having good cohesion and good printability, while improving the access of the electrolyte to the catalytic sites of the catalysts, The electrochemical performance of the electrode are therefore improved.
  • the joint use of cellulose microfibrils and chitosan in powder form makes it possible to improve the rheological properties of the composition, and thus facilitate the shaping of the composition, for example by 3D printing. It was in fact demonstrated during the development of the invention that the chitosan in powder form in the composition is undissolved and allows the rheology of the composition to be improved.
  • a second aspect of the invention relates to an electrode intended to be electrically connected to the electrical circuit of a device, the electrode comprising a body based on a material comprising:
  • the body further comprises cellulose microfibrils encapsulating chitosan in powder form.
  • the body of the electrode has the advantages described relative to the electrode material described above.
  • the body of the electrode has good cohesion and good printability, while improving the access of the electrolyte to the catalytic sites of the catalysts, compared to existing solutions.
  • the electrochemical performance of the electrode is therefore improved.
  • a third aspect of the invention relates to an electrode intended to be electrically connected to the electrical circuit of a device, the electrode comprising a body based on a material comprising:
  • the body further comprises pyrolyzed residues of cellulose and chitosan microfibrils.
  • the body has a porosity induced by the pyrolysis of cellulose microfibrils encapsulating chitosan in powder form.
  • the body of the electrode has the advantages described relative to the electrode material described above. Furthermore, the pyrolysis of cellulose microfibrils and chitosan further improves the microporosity of the electrode material. This porosity further increases the access of the electrolyte to the catalytic sites of the catalysts. The electrochemical performance of the electrode is thus further improved.
  • a fourth aspect relates to a method of manufacturing an electrode comprising the use of the composition.
  • the manufacturing process comprises:
  • the composition is shaped by 3D printing, which can also be designated equivalently by additive manufacturing.
  • a fifth aspect relates to a device comprising an electrical circuit connected to an electrode according to the second or the third aspect, or an electrode manufactured by the method according to the fourth aspect.
  • the device is a biobattery, and more particularly a glucose biobattery.
  • the device may be configured to power a device, such as an implantable medical device.
  • FIG. 1 represents a composition for the manufacture of electrodes of the state of the art.
  • Figure 2 represents the fibrous mesh, by the cellulose microfibers, of the species capable of forming a catalyst.
  • FIG. 3 represents the composition according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 represents the electrode material after pyrolysis of the composition illustrated in FIG. 3, according to an example embodiment.
  • Figure 5 shows an example of a device including the electrode.
  • FIG. 6 illustrates the shaping by 3D printing of the composition illustrated in FIG. 3, according to an example embodiment.
  • Figures 7 to 9 represent the body of the electrode obtained according to different embodiments of the method.
  • FIGS 10 to 14 represent embodiment examples of the electrode.
  • Figures 15 and 16 are scanning electron microscopy views of an electrode obtained after pyrolysis, according to an example embodiment.
  • Figure 17 is a diagram of the surface area of the pores (in mm 2 ) as a function of the number of pores, for different filling rates.
  • Figure 18 is a diagram of the measured current (in pA/mg) related to the mass of the electrode, as a function of the filling rate.
  • FIGS. 19A and 19B illustrate cross-sectional views of an example of a device comprising the electrode encapsulated in a membrane, respectively before and after sealing, according to an example embodiment.
  • the composition has a viscosity of between 250 Pa.s and 700 Pa.s, preferably between 290 Pa.s and 670 Pa.s.
  • the composition has a specific surface substantially between 500 and 600 m 2 /g, and preferably between 500 and 550 m 2 /g,
  • the cellulose microfibrils represent a proportion substantially between 5% and 20%, preferably between 10% and 15%, of the total dry mass of the composition
  • the chitosan represents a proportion substantially between 6% and 10% of the total dry mass of the composition
  • the electrically conductive carbon-based compound represents a proportion substantially between 70% and 85%, preferably between 75% and 83%, of the total dry mass of the composition
  • the at least one species capable of forming a catalyst is chosen from an enzymatic catalyst, metal particles, a molecular catalyst, a portion of the electrically conductive compound doped by a catalyst, a portion of the electrically conductive compound doped by a catalyst precursor , for example graphene oxide reduced and doped with an iron precursor such as a ferric or ferrous ion,
  • the carbon-based electrically conductive compound is chosen from particles of graphite, graphene or carbon nanotubes, carbon black, mesoporous carbon.
  • the electrically conductive carbon-based compound is graphene, and for example reduced graphene oxide,
  • At least one species capable of forming a catalyst is an iron precursor, for example an iron precursor such as a ferric or ferrous ion, doping a portion of the electrically conductive compound.
  • the body has a total volume whose filling rate by the material is less than 100%
  • the body has a total volume whose filling rate by the material is substantially between 25% and 50%, preferably substantially between 30% and 40%, and even more preferably the filling rate is substantially equal to 40% ,
  • the material is placed in a homogeneous way in the total volume of the body, - the electrode has a specific surface substantially between 500 and 600 m 2 /g, and preferably between 550 and 600 m 2 /g,
  • the electrically conductive carbon-based compound is graphene, at least a portion of the electrically conductive compound being doped with iron and nitrogen atoms to form the catalyst .
  • the electrode can be surrounded, preferably entirely, by a membrane configured to limit biofouling, preferably based on or made of PVA.
  • the device comprising the electrode can be surrounded, preferably entirely, by a membrane configured to limit biofouling, preferably based on or made of PVA.
  • the PVA membrane makes it possible to improve the biocompatibility of the electrode and/or of the device and to limit biofouling, in particular after implantation in a human or animal body.
  • the device is isolated from the biological environment once implanted in a human or animal body, because the use of the membrane limits the phenomenon of biofouling.
  • the device comprising two electrodes (and more particularly an anode and a cathode), the electrodes are separated from each other by a membrane, preferably based on or made of PVA.
  • This membrane acts as a separator to avoid short circuits between the electrodes.
  • the PVA has a molar mass by mass of between 80,000 and 125,000 g/mol.
  • the method may comprise: o supplying a composition according to the first aspect, o shaping the composition by 3D printing to form a body of the electrode,
  • the process includes pyrolysis of the body of the electrode.
  • An element “based” on a material A is understood to mean an element comprising this material A only or this material A and possibly other materials.
  • a parameter “substantially equal to/greater than/less than” a given value means that this parameter is equal to/greater than/less than the given value, to within plus or minus 10%, or even within plus or minus 5%, of this value.
  • the thickness of an element as well as the depths are generally measured in a direction perpendicular to the main extension plane of the element, for example perpendicular to its surface.
  • cellulose microfibrils also called cellulose microfibers
  • Cellulose microfibrils form a heterogeneous nanomaterial composed of elements of micrometric size, fragments of cellulose fibres, and at least 50% by number of nano-objects (i.e. objects of which at least one dimensions is between 1 and 100 nanometers -nm).
  • cellulosic nano-objects are called nanofibrillated cellulose, nanofibers or cellulose nanofibrils, NFC, or CNF (short for cellulose nanofibrils), or even microfibrillated cellulose, microfibers or microfibrils, MFC or CMF (short for cellulose microfibrils ) .
  • Cellulose micro- or nanofibrils typically have a diameter of between 5 and 100 nm and a length of between 0.2 and 5 ⁇ m. It should be noted that, in the context of the present invention, the terms “cellulose microfibrils” or “cellulose microfibers” are used interchangeably to designate these cellulosic nano-objects.
  • porosity of an element or material we mean the volume not occupied by the material composing it, relative to the apparent volume of the element or material. This volume proportion can be occupied by the environment surrounding the element or material, vacuum, gas or a liquid, for example water. This proportion is delimited by a plurality of cavities.
  • porosity we mean a volume not occupied by the material and formed in the element or the material.
  • the porosity of the material can be multi-scale, i.e. it can include both microporosity and macroporosity.
  • microporosity designates more particularly the cavities of which one dimension, for example the diameter, is substantially less than 2 nm.
  • macroroporosity is meant more particularly the cavities having a dimension, for example the diameter, substantially greater than 50 nm.
  • the quantity of the element per unit volume is substantially identical in any portion of the same determined size of the other element or volume.
  • a metal ion generally refers to an ion of a metal element of the periodic table of chemical elements.
  • the term “doping” refers to the addition of a compound or chemical element in small quantities to a compound, a substance or a material, in order to modify its electrical conductivity properties.
  • the doping can consist of the addition of holes, it is then the doping of "P" type, or the addition of electrons, this is called "N" type doping.
  • the properties of semiconductors are largely governed by the amount of charge carriers they contain. These carriers are electrons or holes.
  • the doping of a material consists in introducing, in its matrix, atoms of another material. These atoms will replace certain initial atoms and thus introduce more electrons or holes.
  • catalyst in general, in the field of chemistry, is understood to mean a compound which increases the rate of a chemical reaction by participating in the reaction without being part of the reactants and the products.
  • a catalyst makes it possible in particular to introduce new reaction paths, for example it does not participate directly in the reaction but its presence facilitates the breaking of the bonds, or for example it participates in it and is regenerated during the reaction.
  • chitosan refers to a polymer having a chemical formula corresponding to that of the polymer produced by deacetylation of chitin.
  • Chitin is a polysaccharide with 2 constituent units: N-acetylglucosamine and N-glucosamine linked together by a glycosidic bond of the p-1,4 type.
  • a simplified chemical formula (I) of chitin and chitosan is for example given below.
  • the degree of deacetylation designates the percentage of monomer units of the polymer having an amine group, of chemical formula —NH2, instead of an N-acetyl group, of chemical formula —NH—CO—CH3.
  • the degree of acetylation designates the percentage of monomer units of the polymer having an N-acetyl group, of chemical formula —NH—CO—CH3, instead of an amine group, of chemical formula —NH2.
  • the sum of the degree of acetylation and the degree of deacetylation is equal to 100%.
  • a chitosan having a degree of deacetylation of 85% has 15% of monomer units presenting a group N-acetyl and 85% of monomer units having an amine group.
  • the term “chitosan” may denote the polymers corresponding to formula (I) below having a low degree of acetylation, typically less than 60%.
  • Composition 1 is intended for the manufacture of electrode 2.
  • Electrode 2 may be an electrode 2 comprising a body 20 electrically connected to the electric circuit 30 of a device, for example illustrated by FIG. 5 and possibly comprising a resistor 31
  • device 3 comprises a capacitor.
  • the device 3 can more particularly be a biofuel cell, for example:
  • an ethanol biofuel cell configured to oxidize ethanol and reduce oxygen
  • a methanol biofuel cell configured to oxidize methanol and reduce oxygen
  • a glucose/O 2 biofuel cell configured to oxidize glucose and reduce dioxygen.
  • the electrode 2 can be an anode and/or a cathode of the device 3.
  • the device 3 can comprise an electrode 2 according to the invention and a counter-electrode 32.
  • the device 3 can comprise two electrodes 2 according to the invention.
  • the device 3 being a biofuel cell
  • the electrode 2 is a cathode, and therefore the electrode is configured to allow the reduction of chemical species, preferably dioxygen.
  • Composition 1 from which material T of electrode 2 can be formed, is now described with reference to Figures 2 and 3.
  • Composition 1 comprises:
  • the microfibrils therefore make it possible to bind composition 1 by limiting, and preferably avoiding, the coating of at least species 11 capable of forming a 1T catalyst. Consequently, in the electrode formed, the contact between the catalytic sites of the 1T catalyst and the electrolyte is facilitated. A reaction between the catalyst 1 T and the reagent is therefore favored, which makes it possible to increase the electrochemical performance of the electrode 2.
  • composition 1 and the electrode formed have a specific surface substantially between 500 and 600 m 2 /g, and preferably between 500 and 550 m 2 /g.
  • the cellulose microfibrils 13 are in a proportion substantially greater than 5%, and preferably substantially greater than 10%, of the total dry mass of composition 1, in order to ensure effective meshing. This proportion may be substantially less than 20%, preferably less than 15% of the total dry mass of composition 1, to control the viscosity of the composition
  • the cellulose microfibrils are oxidized.
  • the hydroxyl groups present at C-6 of the glucopyranose units of cellulose are oxidized to carboxyls.
  • this oxidation can be carried out using the radical (2,2,6,6-tetramethylpiperidin -1-yl)oxy, also designated TEMPO, according to methods known to those skilled in the art. Provision can be made for this oxidation to be carried out by enzymes, and in particular enzymes of the cellulase family.
  • the microfibrils are oxidized at 2% by TEMPO, that is to say that substantially 2% of the hydroxyl groups present at C-6 of the glucopyranose units of the cellulose are oxidized to carboxyls.
  • Microfibrils 13 and chitosan 12 are configured such that microfibrils 13 encapsulate chitosan 12 to further limit the coating of the species
  • the chitosan 12 is in powder form in composition 1.
  • powder it is understood that the chitosan is in a state broken down into particles of which at least 50% are of a size substantially less than 100 ⁇ m, preferably substantially less than 10 ⁇ m, and more preferably still substantially between 1 and 2 ⁇ m.
  • the size of the particles can be measured by electron microscopy, and for example by scanning electron microscopy.
  • the specific surface of the powder can be between 0.5 and 1 m 2 /g, and preferably substantially equal to 0.64 m 2 /g.
  • the powder may have a total pore volume substantially equal to 0.005 cm 3 /g. Chitosan 12 is therefore not soluble in composition 1.
  • the cellulose microfibrils thus encapsulate the chitosan powder, the chitosan powder being adsorbed on the cellulose microfibrils. Equivalently, the cellulose microfibrils at least partially envelop the particles of chitosan powder. Synergistically with the mesh formed by the cellulose microfibrils, the use of chitosan in powder form makes it possible to further minimize the coating of the species capable of forming the catalyst, and to improve the rheology of the composition for its impression.
  • chitosan 12 is in a proportion at least substantially greater than 6%, in composition 1. Preferably, this proportion substantially comprised between 6% and 10% of the total dry mass of composition 1. During development of the invention, it has been demonstrated that these proportions improve the 3D printability of the composition. In addition, following the pyrolysis (described later), the carbonization of the chitosan in these proportions allows an optimal understanding between the microporosity obtained and the mechanical strength.
  • chitosan since the chitosan is in powder form, its molar mass and its degree of deacetylation will not affect the catalytic activity of the composition. According to one example, chitosan has a mass-average molar mass substantially less than 300,000 g/mol, and preferably between 50,000 g/mol and 200,000 g/mol. The chitosan can have a degree of deacetylation substantially greater than 70%, and preferably between 75 and 85%.
  • the electrically conductive compound 10 is carbon-based.
  • the electrically conductive compound 10 makes it possible to ensure the electrical conductivity in the composition 1 and especially in the material T of the electrode.
  • the proportion of electrically conductive compound 10 can at least be substantially greater than 70%, and preferably substantially between 70% and 85%, and even more preferably between 75% and 83%, of the total dry mass of the composition 1.
  • At least 50%, and preferably at least 80%, of the electrically conductive compound 10 is made of carbon-based particles having at least one nanometric dimension, that is to say less than 200 nm, and preferably less than 100 nm .
  • a nanometric dimension of the electrically conductive compound promotes its homogeneous distribution in the composition 1.
  • the electrically conductive compound conductor 10 can be: particles of graphite, graphene or carbon nanotubes or their derivatives.
  • Graphene has good biocompatibility with living cells.
  • the electrode once implanted does not induce the death of the organism carrying it, nor its rejection.
  • an inflammatory reaction of the implanted organism is minimized, and preferably avoided.
  • the electrode thus induces a low, and preferably an absence, of cytotoxicity, in particular compared to an electrode comprising carbon nanotubes.
  • Graphene can be in the form of reduced graphene oxide.
  • the graphene can be in the form of graphene nanosheets, also referred to in English by the term “graphene nanoribbons”.
  • Graphene nanosheets can have a width of less than 100 nm.
  • species 11 capable of forming a 1T catalyst can be a 1T catalyst.
  • the catalyst 1T in the material T of electrode 2 is conductive, in order to allow an electron transfer to the electrically conductive compound 10.
  • the composition 1 can comprise a plurality of species 11 capable of forming a catalyst 11.
  • the 1T catalyst can be an enzymatic catalyst.
  • the enzyme can be coupled to a mediator to facilitate the transfer of electrons between the enzyme and the electrically conductive compound 10, according to techniques known to those skilled in the art, and thus allow the electrical connection of the enzyme in the electrode.
  • the electron transfer can take place directly between the enzyme and the electrically conductive compound.
  • the enzyme can be chosen from the enzyme glucose oxidase (Gox) for the oxidation of glucose, and laccase.
  • the mass proportion of enzyme in composition 1 can be substantially between 20 and 30%, for example substantially equal to 22%, relative to the total dry mass of composition 1.
  • the 1T catalyst can be an abiotic catalyst, as opposed to enzymatic catalysts.
  • the 1T catalyst may be metallic particles, and in particular of noble metals, or of an alloy of noble metals.
  • Noble metals include the following metals: gold (Au), silver (Ag), rhodium (Rh), osmium (Os), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir) and platinum (Pt).
  • the 1T catalyst can be metallic particles of gold, platinum, palladium or osmium, or an alloy of these. Catalysts based on noble metals are expensive and quite sensitive in physiological media, in particular by poisoning by chloride ions.
  • the catalysts based only carbon with heteroatoms generally show poor performance in physiological medium. Catalysts based on transition metals are therefore more suitable for the manufacture of electrodes, in particular for an application in an implanted device.
  • the 1T catalyst can be a molecular catalyst, that is to say non-enzymatic organic or organometallic catalysts, such as porphyrins.
  • the species 11 capable of forming a 1T catalyst can be a precursor of a 1T catalyst, that is to say a chemical species configured to be converted into a 1T catalyst during the manufacture of the electrode 2, for example by precursor reduction.
  • the use of a 1T catalyst precursor has several advantages. On the one hand, it can be an alternative to enzymatic catalysts and noble metals. Enzymatic catalysts are selective but suffer from low stability over time due to the progressive denaturalization of the enzyme. Noble metal catalysts are expensive.
  • a 1T catalyst precursor generally has a lower cost compared to a catalyst, which makes it possible to limit the cost of composition 1 and therefore of the electrode 2 formed.
  • composition 1 a larger quantity of precursor can be used in composition 1, which makes it possible to increase the quantity of catalyst 1T in material T at a lower cost, and therefore to increase the electrochemical performance of electrode 2.
  • a homogeneous distribution of the 1T catalyst in the material T is then facilitated.
  • the precursor can be chemically coupled to the electrically conductive compound 10, for example by covalent bond, by weak interactions, by TT-TT stacking and/or hydrogen interactions, so as to dope the electrically conductive compound 10 and form catalytic sites.
  • the 1T catalyst precursor comprises a metal ion capable of intervening in the reduction of oxygen once reduced.
  • the ion is an iron ion, in particular a ferric or ferrous ion.
  • the 1T catalyst precursor comprises a cobalt ion.
  • the 1T catalyst precursor can in particular be a salt or a complex of the metal ion, for example iron(III) chloride of formula FeCl 3 .
  • the conversion of the precursor into 1T catalyst makes it possible to dope, by reduction of the iron ions, the electrically conductive compound 10, and to form iron catalytic sites.
  • the conversion of the precursor into a 1T catalyst makes it possible to dope the electrically conductive compound 10 with metal ions and nitrogen.
  • An electrically conductive doped catalyst is then referred to as a catalyst based on carbides and metal nitrides, in which the compound supports metal ions or atoms bonded to nitrogen atoms forming catalytic sites.
  • the catalytic sites for example based on iron and nitrogen, will intervene in the reduction of oxygen.
  • the material T in the material T, at least a portion 100 of the electrically conductive compound 10 is doped to form the catalyst 11. Preferably, this proportion is less than 5%, and preferably substantially equal to 2% by mass, to maximize the electrochemical performance of electrode 2.
  • material T comprises iron and nitrogen doped graphene. It should be noted that it is possible to provide for composition 1 to comprise electrically conductive compound 10, at least partly doped to form catalyst 1T, without requiring conversion during the manufacture of the electrode.
  • the nature of the 1T catalyst or of the 1T species can be adapted according to the application of the electrode 2, and in particular according to the redox reaction(s) envisaged.
  • the choice of the type of electrically conductive compound 10 can be made according to the catalyst 1T present in the material T of the electrode formed.
  • the electrically conductive compound 10 is graphene. It may be preferable to use carbon nanotubes when the 1T catalyst is an enzyme, and in particular for the enzyme glucose oxidase (Gox).
  • the proportions of the components of composition 1 were in particular identified to obtain both good 3D printability and adequate electrochemical performance.
  • these proportions can make it possible to achieve a viscosity that is particularly suitable for 3D printing of the body 20 of the electrode 2.
  • the composition has a viscosity of between 250 Pa.s and 700 Pa.s, of preferably between 290 Pa.s and 670 Pa.s.
  • This range of viscosity, and more particularly the restricted range are particularly suitable for shaping the composition by 3D printing, described in more detail later.
  • the water content of composition 1 can more particularly be between 83% and 90% by mass.
  • Process 4 for manufacturing electrode 2 is now described with reference to FIGS. 4 and 6 to 9.
  • Process 4 uses composition 1 to manufacture electrode 2.
  • process 4 can include any step configured to obtain a characteristic of electrode 2.
  • Method 4 comprises providing a composition 1.
  • Prior to this supply method 4 may comprise the preparation of composition 1.
  • the components of composition 1 may be mixed together.
  • the mixture can then be homogenized to promote homogeneous dispersion of the components in composition 1.
  • the homogenization is carried out by a three-cylinder homogenizer.
  • method 4 comprises shaping 40 of composition 1, to form body 20 of the electrode.
  • Composition 1 can be shaped by molding, by extrusion, by screen printing, or any other method known to those skilled in the art.
  • the composition 1 is printed in 3D, by a printing means 400 as illustrated in FIG. 6.
  • the 3D printing makes it possible to control the shape of the body 20 of the electrode 2 and in particular to control the filling rate of the body 20 of the electrode 2, described in more detail later.
  • 3D printing induces an increase in the microporosity of composition 1 during shaping 40, and of the material T of the electrode.
  • composition 1 can be printed in successive layers 210, 211 to form the volume 21 occupied by the material T of the body 20 of the electrode 2.
  • a layer 210 can be formed by a plurality of extruded portions of composition 1, for example cylinders extending from one edge to the other of the body 20. The spacing between the extruded portions of a layer 210 can be varied to adjust the theoretical filling rate, described later. Between two successive layers 210, 211, the extruded portions can be oriented differently, in particular by being offset by a non-zero angle, and for example by 90° as illustrated in FIG. 6 and in FIG. 7.
  • the printing parameters can be optimized to avoid under-extrusion and to avoid over-extrusion which can deform the body 20 of the electrode.
  • the extrusion diameter D can be substantially between 0.9 and 1.1 mm, and preferably substantially equal to 0.96 mm. In addition, these diameters make it possible to obtain extruded portions of suitable diameter for a satisfactory exchange surface of the body 20 of the electrode 2.
  • Figures 7-9 show cross-sectional views of body 20 after shaping 40.
  • method 4 may include a drying 41, as illustrated in FIG. 8. Drying 41 can be configured so that the proportion of water in the material is less than 10%. Drying 41 makes it possible to obtain a solid material more suited to the manufacture of electrodes.
  • the drying can for example be done by lyophilization, in order to further improve the porosity of the electrode.
  • the drying can, according to another example, be done in the open air, and for example over 72 hours.
  • the process 4 may comprise a thermal annealing, and more particularly a pyrolysis 42 of the composition 1, as illustrated in FIG. 9.
  • the body 20 of the electrode 2 shaped can be heated to a temperature substantially greater than 500°C, and preferably substantially greater than 650°C, and more preferably to a temperature substantially equal to 700°C.
  • the electrically conductive compound 10 comprises graphene
  • the pyrolysis temperature is substantially less than or equal to 700°C.
  • Pyrolysis induces several effects on composition 1.
  • microfibrils 13 and chitosan 12 are pyrolyzed, and therefore are thermally decomposed.
  • the pyrolysis makes it possible to create a porosity in place of the microfibrils 13 and the chitosan 12, as illustrated in FIG. 4.
  • the pyrolysis thus makes it possible to further increase the microporosity of the material T of the body 20 of the electrode 2, as well as its conductivity, and therefore the electrochemical performance of the electrode 2. It has in particular been shown that the limit currents increase by a factor of 1.5 following the pyrolysis, in particular for a degree of filling of 40%.
  • composition 1 comprises a catalyst precursor 11
  • pyrolysis makes it possible to convert the precursor into catalyst in situ, for example by reducing the metal ions.
  • the use of a precursor makes it possible in particular to increase, at a lower cost, the quantity of 1T catalyst in the material T and to dispense with the incorporation into the composition of a 1T catalyst. Losses of 1T catalyst linked to possible manufacturing defects during the preparation of composition 1 and/or during shaping 40 are thus limited.
  • the 1T catalyst in the material T is doped graphene, it is possible to dispense with the mass use of graphene particles supporting the previously synthesized 1T catalyst, in the formulation of composition 1.
  • the method 4 does not implement this pyrolysis step, in order to avoid degradation of the 1T catalyst.
  • the pyrolysis can be carried out in a reactive atmosphere, to dope at least a portion 100 of the electrically conductive compound 10, for example illustrated in FIG. 4, and thus increase the activity of the 1T catalyst.
  • N doping can be obtained by different methods.
  • the pyrolysis 42 is carried out in an atmosphere comprising ammonia so as to carry out nitrogen doping.
  • the high temperature thermal reduction of graphene in the presence of ammonia can pose risks.
  • the pyrolysis can be carried out in the presence of a solid nitrogen precursor incorporated into composition 1, such as melamine powder. The pyrolysis can then be carried out at a temperature substantially equal to 800°C.
  • electrical contacts can be connected to body 20 to form electrode 2.
  • Electrode 2 is now described with reference to FIGS. 10 to 14. Electrode 2 may have any characteristic resulting from the manufacturing process described, and from the transformation of composition 1 by process 4.
  • the material of the electrode may have the same dry matter proportions as composition 1 except when electrode 2 has undergone pyrolysis following which the chitosan 12 and the cellulose microfibrils 13 have been carbonized.
  • the body 20 of the electrode 2 can have an apparent or total volume, delimited by its outer circumference 200 .
  • the material T including its microporosity, fills the apparent volume of the body 20.
  • the degree of filling of the body 20 of the electrode 2 is then considered to be substantially equal to 100%.
  • the degree of filling of the body 20 by the material T may be less than 100%.
  • the material T then fills an occupied volume 21.
  • the apparent volume of the body 20 then comprises a free volume 22 and an occupied volume 21.
  • the filling rate can be defined as the ratio of the occupied volume 21 to the free volume 22.
  • the material occupying only a portion of the apparent volume of the body, the accessible surface of the electrode 2 is adjustable, and can be increased.
  • the electrochemical performance of electrode 2 can thus be further improved.
  • the infill rate can be determined by measurement on the 1' material, and/or can be deduced from a theoretical infill rate defined from the model on the basis of which the 1' material is printed.
  • the material T is arranged so as to maximize the accessible surface of the body 20 of the electrode 2.
  • the material T can be arranged homogeneously in the total volume of the body 20. Equivalently, the occupied volume 21 and the volume 22 can be distributed homogeneously in the apparent volume, as illustrated for example in FIG. 11.
  • the body 20 of the electrode comprises a macroporosity further improving access to the 1T catalyst and therefore the electrochemical performance of the electrode 2.
  • the degree of filling may be substantially between 25% and 50%, preferably substantially between 30% and 40%, and even more preferably the degree of filling is substantially equal to 40%. In these ranges and even more so for the preferential ranges and values, the accessible surface of the electrode 2 is increased, while ensuring good mechanical properties of the body 20 of the electrode 2.
  • a filling rate of the order of 40 % provides the highest electrochemical performance. Beyond these rates, clogging of the extruded filaments may occur, causing a decrease in macroporosity as well as electrochemical performance. In addition, a filling rate below 30% weakens the body 20.
  • the overall shape of the body 20, and in particular its cross-section can be polygonal, and for example rectangular or square.
  • the overall shape of the body 20 may be a cylinder.
  • a circular perimeter 200 makes it possible to avoid possible injury caused by acute angles of the electrode, in particular when the electrode 2 is implanted.
  • the body can preferably have a continuous perimeter 200, and thus further minimize the risk of possible injury.
  • the body may have a discontinuous visible perimeter 200', that is to say that the outer perimeter is not formed by a continuous strip of material.
  • the printed portions of electrode 2 have a diameter of less than 1 mm.
  • composition 1 presents a dry matter content of 17%, and 83% water.
  • the dry matter comprises 6.6% chitosan 12, 83.3% graphene 10, including 25% doped graphene and 10% cellulose microfibrils 13.
  • the graphene is doped with 2% iron, c that is to say that a proportion of 2% by mass of the graphene is doped.
  • the specific surface of the composition is of the order of 536 ⁇ 2 m 2 /g.
  • body 20 is 3D printed and then dried in the open air for 72 hours. Electrical contacts are then added.
  • composition 1 The printing parameters for composition 1 are given in the following table.
  • the diameter of the printed portions of the electrode, after drying, is substantially between 684 ⁇ m and 666 ⁇ m for an extrusion diameter of 0.96 mm.
  • the density of the body 20 as a function of the degree of filling is given in the following table.
  • Figure 15 illustrates the macroporosity created by a filling rate equal to 40%.
  • Figure 16 which is an enlargement of Figure 15, illustrates the microporosity obtained after 3D printing.
  • the specific surface of the 3D printed bodies 20 varies between 552 and 582 m 2 /g.
  • the current measured in operation of a non-pyrolyzed electrode, according to this example, is measured at around 400 pA/cm 2 and 8 pA/mg.
  • FIG. 17 illustrates the surface 5 of the pores (in mm 2 ) as a function of the number of pores 6, for different theoretical filling rates 7, deduced from the model from which the electrode is printed.
  • the 40% fill rate results in the highest pore count and homogeneous pore distribution, which improves electrochemical performance.
  • the highest measured currents 8 in pA/mg
  • the highest electrochemical performances are measured under air 9a and under oxygen 9B are obtained for a theoretical filling rate 7 by 40%.
  • the body of the electrode 20 is subjected, after its shaping 40, to pyrolysis at 700° C. in a reactive ammonia atmosphere.
  • the filling rate as well as the pyrolysis thus allow an increase in the electrochemical performance of the electrode.
  • the electrode 2 and/or the device 3 comprising the electrode 2 can be encapsulated by a membrane 33, for example of PVA, in order to isolate it from the biological medium, which makes it possible to improve the biocompatibility and to limit the biofouling of the electrode 2 and/or of the device 33.
  • a membrane 33 for example of PVA
  • Other materials chosen to limit the biofouling can be envisaged.
  • the PVA solution is then poured into a circular mold 1 mm thick placed between two glass plates allowing the excess PVA and air bubbles to be eliminated. These plates are placed at ⁇ 20° C. for 12 hours in order to carry out physical crosslinking of the PVA. After thawing, a PVA membrane is obtained.
  • One or more membrane(s) 33 may/may be shaped into a "sandwich", that is to say so as to separate by the membrane 33 the electrodes 2, 32 of the device 3, and so as to isolate the device of the surrounding medium, as for example illustrated in FIG. 19B.
  • the resistor 31 can be placed in one or the other of the compartments 34.
  • the pressure is maintained on the edges with pliers overnight in order to have a complete seal.
  • cathode cytocompatibility was validated.
  • An in vivo cathode implantation test for one month in a rat was carried out, as well as an in vivo implantation test for three months, demonstrating the feasibility of using a biofuel cell comprising an electrode according to the 'invention.
  • a cylindrical biocathode 2 having a diameter of approximately 1.3 cm and a height of approximately 0.25 cm with a theoretical filling rate of the order of 40% was manufactured according to the manufacturing method described.
  • the biocathode 2 was connected to an enzymatic bioanode 32 based on Glucose-Dehydrogenase-Elavine-Adenine-Dinucleotide through an 80 kOhm resistor 31 to form a biobattery 3.
  • the assembly was encapsulated in a membrane 33 made of PVA in the form of a sandwich so as to avoid contact between the two electrodes 2, 32.
  • the distance between the two electrodes 2, 32 is approximately 0.5 mm.
  • biofuel cell 3 was sterilized by exposure to ionizing radiation (source of 60 Co), so as not to modify the structure of the PVA membrane 33 or denature the enzymes, compared to sterilization methods such as washing with the alcohol.
  • Two stacks 3 were implanted in the intra-abdominal medium of two rats for two different periods (one month and three months). For each period of implantation, the organs of the rats (liver, kidneys, heart and lungs) were intact, no abnormality was revealed. Monitoring the weight of the implanted rats revealed no significant difference compared to a non-implanted control rat.
  • the invention is not limited to the embodiments described above and extends to all the embodiments covered by the invention.

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Abstract

L'invention concerne une composition (1) pour la fabrication d'électrode (2), la composition comprenant un composé électriquement conducteur à base de carbone, au moins une espèce propre à former un catalyseur, des microfibrilles de cellulose encapsulant du chitosane. Les microfibrilles de cellulose créent un maillage fibreux liant la composition tout en limitant l'enrobage du catalyseur. Ainsi, le catalyseur reste accessible au milieu environnant, pour permettre les réactions d'oxydoréduction au niveau de l'électrode. Les performances électrochimiques de l'électrode sont par conséquent améliorées. La composition (1) est en outre particulièrement adaptée pour la mise en forme (40) d'électrode par impression 3D.

Description

« Composition pour la fabrication d’électrode, électrode et procédé associé »
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne le domaine des compositions et matériaux d’électrode. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine des électrodes de biopiles à glucose, par exemple pour l’alimentation de dispositif implantés.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les dispositifs médicaux implantables actifs sont généralement alimentés électriquement par des batteries lithium-ion. Les batteries lithium-ion présentent toutefois des inconvénients, notamment en termes d’encombrement et de durée de vie. Par exemple, pour la nouvelle génération de dispositifs médicaux implantables tels que les organes artificiels, un compromis est exigé entre le volume de la batterie et la puissance délivrée. En outre, la durée de vie des batteries à lithium-ion étant limitée, un remplacement par chirurgie est indispensable tous les 5 à 8 ans.
Les biopiles, et notamment les biopiles à glucose/O2, constituent une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion. Les biopiles à glucose/O2 permettent une conversion de l’énergie chimique en énergie électrique. Cette conversion est assurée par des réactions d'oxydoréduction catalysées du glucose et de l’oxygène. Les biopiles offrent une alimentation électrique théoriquement durable dans le temps, étant donné que les réactifs sont naturellement présents dans les fluides tissulaires du corps humain ou animal.
Les réactions d'oxydoréduction catalysées ont lieu au niveau des électrodes reliées électriquement entre elles. La réduction du dioxygène en eau, se produit au niveau de la cathode, tandis que l’oxydation du glucose en acide gluconique, se fait au niveau de l’anode. Les transferts d’électrons associés à chaque réaction d’oxydoréduction permettent la circulation d’électrons entre la cathode et l’anode, et ainsi l’alimentation du dispositif médical implantable.
Usuellement, les électrodes comprennent au moins un catalyseur qui peut être soit enzymatique soit abiotique et un composé électriquement conducteur à base de carbone. Le catalyseur et le composé électriquement conducteur à base de carbone sont généralement enrobés dans un liant à base d’un polymère. Par exemple, le polymère peut être du chitosan ou de l’alcool polyvinylique (communément abrégé P VA).
Il est connu du document hun-Hao Su, Chia-Liang Sun, Shiuan-Ying Peng, Jhing-Jhou Wu, Yuan-Han Huang, Ying-Chih Liao, High performance non-enzymatic graphene-based glucose fuel cell operated under moderate temperatures and a neutral solution, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, Volume 95, 2019, Pages 48-54, ISSN 1876-1070, une composition pour fabriquer une électrode de biopile à glucose comprenant :
- du graphène comme source de carbone
- des particules métalliques de platine et palladium comme catalyseur
- un liant à base de Nation®.
Les liants communément utilisés ont toutefois pour effet d’enrober le catalyseur. Cet enrobage isole le catalyseur du milieu environnant, comme l’illustre la figure 1 , ce qui diminue sa conductivité et réduit l’accessibilité de l’électrolyte vers les sites catalytiques. Ceci limite ainsi les performances de l’électrode.
Un objet de la présente invention est donc de proposer une solution améliorant les performances électrochimiques d’une électrode.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RESUME DE L’INVENTION
Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect on prévoit une composition pour la fabrication d’électrode, la composition comprenant :
- un composé électriquement conducteur à base de carbone,
- du chitosane sous forme de poudre,
- une espèce propre à former un catalyseur.
Avantageusement, la composition comprend en outre des microfibrilles de cellulose, le chitosane étant encapsulé dans les microfibrilles de cellulose.
Les microfibrilles de cellulose, créent un maillage fibreux liant le composé électriquement conducteur et l’espèce propre à former le catalyseur, dans la composition et dans le matériau de l’électrode formée. Par rapport aux liants habituellement utilisés dans ce domaine, formant une phase liante homogène qui enrobe les catalyseurs, les microfibrilles de cellulose permettent de lier la composition tout en limitant l’enrobage du catalyseur. Ainsi, les sites catalytiques du catalyseur restent accessibles au milieu environnant, facilitant alors le déroulement des réactions d’oxydoréduction au niveau de l’électrode formée.
Le chitosane étant sous forme de poudre, il est encapsulé dans les microfibrilles de cellulose. Le chitosane étant sous forme de poudre dans la composition, il est sous forme non soluble dans la composition. Ceci permet d’éviter l’enrobage du catalyseur induit par l’utilisation de chitosane sous forme soluble dans la composition. Ainsi, l’accès au catalyseur est amélioré.
Par rapport aux solutions existantes, la composition permet ainsi d’obtenir un matériau d’électrode présentant une bonne cohésion et une bonne imprimabilité, tout en améliorant l’accès de l’électrolyte vers les sites catalytique des catalyseurs, Les performances électrochimiques de l’électrode sont par conséquent améliorées.
En outre, l’utilisation conjointe des microfibrilles de cellulose et du chitosane sous forme de poudre permet d’améliorer les propriétés rhéologiques de la composition, et ainsi faciliter la mise en forme de la composition, par exemple par impression 3D. Il a en effet été mis en évidence lors du développement de l’invention que le chitosan en forme de poudre dans la composition est non dissous et permet l’amélioration de la rhéologie de la composition.
Un deuxième aspect de l’invention concerne une électrode destinée à être raccordée électriquement au circuit électrique d’un dispositif, l’électrode comprenant un corps à base d’un matériau comprenant :
- un composé électriquement conducteur à base de carbone, et - un catalyseur.
Avantageusement, le corps comprend en outre des microfibrilles de cellulose encapsulant du chitosane sous forme de poudre.
Le corps de l’électrode présente les avantages décrits relativement au matériau d’électrode décrit ci-avant. Le corps de l’électrode présente notamment une bonne cohésion et une bonne imprimabilité, tout en améliorant l’accès de l’électrolyte vers les sites catalytiques des catalyseurs, par rapport aux solutions existantes. Les performances électrochimiques de l’électrode sont par conséquent améliorées.
Un troisième aspect de l’invention concerne une électrode destinée à être raccordée électriquement au circuit électrique d’un dispositif, l’électrode comprenant un corps à base d’un matériau comprenant :
- un composé électriquement conducteur à base de carbone, et
- un catalyseur.
Avantageusement, le corps comprend en outre des résidus pyrolysés de microfibrilles de cellulose et de chitosane.
De façon alternative ou complémentaire, le corps présente une porosité induite par la pyrolyse de microfibrilles de cellulose encapsulant du chitosane sous forme de poudre.
Le corps de l’électrode présente les avantages décrits relativement au matériau d’électrode décrit ci-avant. En outre, la pyrolyse des microfibrilles de cellulose et du chitosane améliore de plus la microporosité du matériau de l’électrode. Cette porosité augmente encore l’accès de l’électrolyte vers les sites catalytiques des catalyseurs. Les performances électrochimiques de l’électrode sont ainsi encore améliorées.
Un quatrième aspect concerne un procédé de fabrication d’une électrode comprenant l’utilisation de la composition. Selon un exemple, le procédé de fabrication comprend :
- une fourniture de la composition selon le premier aspect,
- une mise en forme de la composition pour former un corps de l’électrode.
De préférence, la mise en forme de la composition est faite par impression 3D, pouvant aussi être désignée de façon équivalente par fabrication additive.
Un cinquième aspect concerne un dispositif comprenant un circuit électrique relié à une électrode selon le deuxième ou le troisième aspect, ou une électrode fabriquée par le procédé selon le quatrième aspect. Selon un exemple, le dispositif est une biopile, et plus particulièrement une biopile à glucose. Le dispositif peut être configuré pour alimenter un dispositif, par exemple un dispositif médical implantable. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’exemples de réalisation de cette dernière, illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La figure 1 représente une composition pour la fabrication d’électrode de l’état de la technique.
La figure 2 représente le maillage fibreux, par les microfibres de cellulose, de l’espèce propre à former un catalyseur.
La figure 3 représente la composition selon un exemple de réalisation.
La figure 4 représente le matériau d’électrode après pyrolyse de la composition illustrée en figure 3, selon un exemple de réalisation.
La figure 5 représente un exemple de dispositif comprenant l’électrode.
La figure 6 illustre la mise en forme par impression 3D de la composition illustrée en figure 3, selon un exemple de réalisation.
Les figures 7 à 9 représentent le corps de l’électrode obtenu selon différents exemples de réalisation du procédé.
Les figures 10 à 14 représentent des exemples de réalisation de l’électrode.
Les figures 15 et 16 sont des vues en microscopie électronique à balayage d’une électrode obtenue après pyrolyse, selon un exemple de réalisation.
La figure 17 est un schéma de la surface des pores (en mm2) en fonction du nombre de pores, pour différents taux de remplissage.
La figure 18 est un schéma du courant mesuré (en pA/mg) rapporté à la masse de l’électrode, en fonction du taux de remplissage.
Les figures 19A et 19B illustrent des vues en coupe transversale d’un exemple de dispositif comprenant l’électrode encapsulé dans une membrane, respectivement avant et après scellage, selon un exemple de réalisation.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions relatives des composants dans la composition, de l’électrode et du dispositif ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles de la composition qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement : - la composition présente une viscosité comprise entre 250 Pa.s et 700 Pa.s, de préférence entre 290 Pa.s et 670 Pa.s.
- la composition présente une surface spécifique sensiblement comprise entre 500 et 600 m2/g, et de préférence entre 500 et 550 m2/g,
- les microfibrilles de cellulose représentent une proportion sensiblement comprise entre 5 % et 20 %, de préférence entre 10 % et 15 %, de la masse sèche totale de la composition,
- le chitosane représente une proportion sensiblement comprise entre 6 % et 10 % de la masse sèche totale de la composition,
- le composé électriquement conducteur à base de carbone représente une proportion sensiblement comprise entre 70 % et 85 %, de préférence entre 75 % et 83 %, de la masse sèche totale de la composition,
- l’au moins une espèce propre à former un catalyseur est choisie parmi un catalyseur enzymatique, des particules métalliques, un catalyseur moléculaire, une portion du composé électriquement conducteur dopé par un catalyseur, une portion du composé électriquement conducteur dopé par un précurseur de catalyseur, par exemple de l’oxyde de graphène réduit et dopé avec un précurseur de fer tel qu’un ion ferrique ou ferreux,
- le composé électriquement conducteur à base de carbone est choisi parmi des particules de graphite, du graphène ou des nanotubes de carbone, du noir de carbone, du carbone mésoporeux.
- le composé électriquement conducteur à base de carbone est du graphène, et par exemple de l’oxyde de graphène réduit,
- au moins une espèce propre à former un catalyseur est un précurseur de fer, par exemple un précurseur de fer tel qu’un ion ferrique ou ferreux, dopant une portion du composé électriquement conducteur.
Des caractéristiques optionnelles de l’électrode pouvant être utilisées en association ou alternativement sont énoncées ci-après :
- le corps présente un volume total dont le taux de remplissage par le matériau est inférieur à 100 %,
- le corps présente un volume total dont le taux de remplissage par le matériau est sensiblement compris entre 25 % et 50 %, de préférence sensiblement compris entre 30 % et 40 %, et plus préférentiellement encore le taux de remplissage est sensiblement égal à 40 %,
- le matériau est disposé de façon homogène dans le volume total du corps, - l’électrode présente une surface spécifique sensiblement comprise entre 500 et 600 m2/g, et de préférence entre 550 et 600 m2/g,
- le corps comprenant des résidus pyrolysés de microfibrilles de cellulose et de chitosane, le composé électriquement conducteur à base de carbone est du graphène, au moins une portion du composé électriquement conducteur étant dopée par des atomes de fer et d’azote pour former le catalyseur.
Selon un exemple, l’électrode peut être entourée, de préférence entièrement, par une membrane configurée pour limiter le bio-encrassement, de préférence à base ou faite de PVA. Selon un exemple, le dispositif comprenant l’électrode peut être entouré, de préférence entièrement, par une membrane configurée pour limiter le bioencrassement, de préférence à base ou faite de PVA. Ainsi, la membrane de PVA permet d’améliorer la biocompatibilité de l’électrode et/ou du dispositif et d’en limiter le bioencrassement, notamment après implantation dans un corps humain ou animal. Le dispositif est isolé du milieu biologique une fois implanté dans un corps humain ou animal, car l’utilisation de la membrane limite le phénomène de bio-encrassement.
De préférence, le dispositif comprenant deux électrodes (et plus particulièrement une anode et une cathode), les électrodes sont séparées l’une de l’autre par une membrane, de préférence à base ou faite de PVA. Cette membrane joue le rôle de séparateur afin d’éviter les courts circuits entre les électrodes.
Selon un exemple, le PVA présente une masse molaire en masse comprise entre 80 000 et 125 000 g/mol.
Des caractéristiques optionnelles du procédé pouvant être utilisées en association ou alternativement sont énoncées ci-après :
- le procédé peut comprendre : o une fourniture d’une composition selon le premier aspect, o une mise en forme de la composition par impression 3D pour former un corps de l’électrode,
- après la mise en forme de la composition, le procédé comprend une pyrolyse du corps de l’électrode.
On entend par un élément « à base » d’un matériau A, un élément comprenant ce matériau A uniquement ou ce matériau A et éventuellement d’autres matériaux.
On entend par un paramètre « sensiblement égal/supérieur/inférieur à » une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur.
Dans la suite, l’épaisseur d’un élément ainsi que les profondeurs sont généralement mesurées selon une direction perpendiculaire au plan d’extension principale de l’élément, par exemple de façon perpendiculaire à sa surface.
Il est connu de former des microfibrilles de cellulose, aussi appelées microfibres de cellulose, à partir de fibres de cellulose. Les microfibrilles de cellulose forment un nanomatériau hétérogène composé d’éléments de taille micrométrique, des fragments de fibres de cellulose, et d’au moins 50 % en nombre de nano-objets (c’est-à-dire des objets dont au moins une des dimensions se situe entre 1 et 100 nanomètres -nm). Ces nano-objets cellulosiques sont appelés cellulose nanofibrillée, nanofibres ou nanofibrilles de cellulose, NFC, ou CNF (abrégé de l’anglais cellulose nanofibrils), ou encore cellulose microfibrillée, microfibres ou microfibrilles, MFC ou CMF (abrégé de l’anglais cellulose microfibrils) . Les micro- ou nanofibrilles de cellulose présentent typiquement un diamètre compris entre 5 et 100 nm et une longueur comprise entre 0,2 et 5 pm. On note que, dans le cadre de la présente invention, les termes « microfibrilles de cellulose » ou « microfibres de cellulose » sont utilisés indifféremment pour désigner ces nano-objets cellulosiques.
Par porosité d’un élément ou d’un matériau, on entend le volume non occupé par la matière le composant, relativement au volume apparent de l’élément ou du matériau. Cette proportion volumique peut être occupée par le milieu environnant de l’élément ou du matériau, du vide, du gaz ou un liquide, par exemple de l’eau. Cette proportion est délimitée par une pluralité de cavités. Par « cavité », on entend un volume non occupé par la matière et formé dans l’élément ou le matériau. La porosité du matériau peut être multi-échelle, c’est à dire qu’elle peut comprendre à la fois une microporosité, et une macroporosité. Par « microporosité », on désigne plus particulièrement les cavités dont une dimension, par exemple le diamètre, est sensiblement inférieure à 2 nm. Par « macroporosité », on désigne plus particulièrement les cavités présentant une dimension, par exemple le diamètre, sensiblement supérieure à 50 nm.
Lorsqu’un élément est dit « homogène » dans un autre élément ou un volume, la quantité de l’élément par unité de volume est sensiblement identique en en toute portion d’une même taille déterminée de l’autre élément ou du volume.
Un ion métallique désigne de façon générale un ion d’un élément métallique du tableau périodique des éléments chimiques.
Dans la présente invention, le terme « dopage » se réfère à l’ajout d’un composé ou élément chimique en petites quantités à un composé, une substance ou un matériau, afin de modifier ses propriétés de conductivité électrique. Au niveau électronique, le dopage peut consister en l’ajout de trous, il s’agit alors du dopage de type « P », ou l’ajout d’électrons, il s’agit alors du dopage de type « N ».
Les propriétés des semi-conducteurs sont en grande partie régies par la quantité de porteurs de charge qu'ils contiennent. Ces porteurs sont les électrons ou les trous. Le dopage d'un matériau consiste à introduire, dans sa matrice, des atomes d'un autre matériau. Ces atomes vont se substituer à certains atomes initiaux et ainsi introduire davantage d'électrons ou de trous.
De façon générale dans le domaine de la chimie, on entend par catalyseur un composé augmentant la vitesse d'une réaction chimique en participant à la réaction sans faire partie des réactifs et des produits. Un catalyseur permet notamment d’introduire de nouveaux chemins réactionnels, par exemple il ne participe pas directement à la réaction mais sa présence facilite la rupture des liaisons, ou par exemple il y participe et est régénéré lors de la réaction.
Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, le terme chitosane, se réfère à un polymère présentant une formule chimique correspondant à celle du polymère produit par désacétylation de la chitine. La chitine est un polysaccharide de 2 motifs constitutifs : la N-acétylglucosamine et la N-glucosamine liés entre eux par une liaison glycosidique du type p-1 ,4. Une formule chimique (I) simplifiée de la chitine et du chitosane est par exemple donnée ci-dessous.
Le degré de désacétylation désigne le pourcentage d’unités monomères du polymère présentant un groupement amine, de formule chimique -NH2, au lieu d’un groupement N-acétyle, de formule chimique -NH-CO-CH3. Le degré d’acétylation désigne le pourcentage d’unités monomères du polymère présentant un groupement N-acétyle, de formule chimique -NH-CO-CH3, au lieu d’un groupement amine, de formule chimique -NH2. La somme du degré d’acétylation et du degré de désacétylation est égale à 100 %. Par exemple, un chitosane ayant un degré de désacétylation de 85 %, possède 15 % d’unités monomère présentant un groupement N-acétyle et 85 % d’unités monomères présentant un groupement amine. On peut désigner par « chitosane » les polymères correspondant à la formule (I) ci-dessous présentant un bas degré d’acétylation, typiquement inférieur à 60 %.
La composition 1 est destinée à la fabrication d’électrode 2. L’électrode 2 peut être une électrode 2 comprenant un corps 20 relié électriquement au circuit électrique 30 d’un dispositif, par exemple illustré par la figure 5 et pouvant comprendre une résistance 31. Selon un exemple, le dispositif 3 comprend un condensateur. Le dispositif 3 peut plus particulièrement être une biopile, par exemple :
- une biopile à éthanol, configurée pour oxyder l’éthanol et réduire le dioxygène,
- une biopile à méthanol, configurée pour oxyder le méthanol et réduire le dioxygène,
- de préférence une biopile à glucose/O2, configurée pour oxyder le glucose et réduire le dioxygène.
Notons que l’électrode 2 peut être une anode et/ou une cathode du dispositif 3. Selon l’exemple illustré, le dispositif 3 peut comprendre une électrode 2 selon l’invention et une contre-électrode 32. Selon un autre exemple, le dispositif 3 peut comprendre deux électrodes 2 selon l’invention. De préférence, le dispositif 3 étant une biopile, l’électrode 2 est une cathode, et donc l’électrode est configurée pour permettre la réduction d’espèces chimiques, de préférence du dioxygène.
La composition 1 , à partir de laquelle le matériau T de l’électrode 2 peut être formé, est maintenant décrite en référence aux figures 2 et 3. La composition 1 comprend :
- un composé électriquement conducteur 10 à base de carbone,
- au moins une espèce 11 propre à former un catalyseur 1T, et
- des microfibrilles de cellulose 13 encapsulant du chitosane 12.
Les microfibrilles de cellulose 13, désignées microfibrilles dans la suite, crée un maillage sous forme de gel, configuré pour lier les composants de la composition 1, et plus particulièrement l’espèce 11 propre à former un catalyseur 1T, comme l’illustre les figures 2 et 3. Par rapport aux solutions existantes, les microfibrilles permettent donc de lier la composition 1 en limitant, et de préférence en évitant, l’enrobage au moins de l’espèce 11 propre à former un catalyseur 1T. Dès lors, dans l’électrode formée, le contact entre les sites catalytiques du catalyseur 1T et l’électrolyte est facilité. Une réaction entre le catalyseur 1 T et le réactif est par conséquent favorisée, ce qui permet d’augmenter les performances électrochimiques de l’électrode 2. Ce maillage peut notamment induire une microporosité de la composition 1 , se retrouvant dans le matériau T de l’électrode 2. La microporosité permet à l’électrolyte de s’infiltrer dans l’électrode 2 et d’augmenter la surface d’échange entre le catalyseur 1T dans le matériau T et les réactifs. Selon un exemple, la composition 1 et l’électrode formée présentent une surface spécifique sensiblement comprise entre 500 et 600 m2/g, et de préférence entre 500 et 550 m2/g.
Dans la composition 1 , les microfibrilles de cellulose 13 sont à une proportion sensiblement supérieure à 5%, et de préférence sensiblement supérieure à 10 %, de la masse sèche totale de la composition 1, afin d’assurer un maillage efficace. Cette proportion peut être sensiblement inférieure à 20%, de préférence inférieure à 15 % de la masse sèche totale de la composition 1 , pour contrôler la viscosité de la composition
I . Ces proportions en microfibrilles de cellulose assurent un maillage efficace du composé électriquement conducteur et du catalyseur, tout en limitant la quantité de microfibrilles de cellulose utilisée. Cette proportion permet en outre de limiter le coût de la composition 1.
Selon un exemple, les microfibrilles de cellulose sont oxydées. Par exemple, les groupes hydroxyles présents en C-6 des unités de glucopyranose de la cellulose sont oxydés en carboxyles. Ainsi, les microfibrilles de cellulose 13 présentent en surface, à un pH sensiblement neutre, des charges négatives favorisant leur dispersion dans la composition 1. Par exemple, cette oxydation peut être effectuée en utilisant le radical (2,2,6,6-tétraméthylpipéridin-1-yl)oxy, aussi désigné TEMPO, selon des procédés connus de l’homme du métier. On peut prévoir que cette oxydation soit effectuée par des enzymes, et notamment des enzymes de la famille des cellulases. Selon un exemple préférentiel, les microfibrilles sont oxydées à 2 % par TEMPO, c’est-à-dire que sensiblement 2 % des groupes hydroxyles présents en C-6 des unités de glucopyranose de la cellulose sont oxydés en carboxyles.
Les microfibrilles 13 et le chitosane 12 sont configurés de sorte que les microfibrilles 13 encapsulent le chitosane 12 pour limiter encore l’enrobage de l’espèce
II. Pour cela, le chitosane 12 est sous forme de poudre dans la composition 1. Par « poudre », il est en entendu que le chitosane se présente sous un état fractionné en particules dont au moins 50 % sont de taille sensiblement inférieure à 100 pm, de préférence sensiblement inférieure à 10 pm, et plus préférentiellement encore sensiblement comprise entre 1 et 2 pm. La taille des particules peut être mesurée par microscopie électronique, et par exemple par microscopie électronique à balayage. La surface spécifique de la poudre peut être comprise en 0,5 et 1 m2/g, et de préférence sensiblement égale à 0,64 m2/g. La poudre peut présenter un volume de pore total sensiblement égal à 0,005 cm3/g. Le chitosane 12 est donc non soluble dans la composition 1. Les microfibrilles de cellulose encapsulent ainsi la poudre de chitosane, la poudre de chitosane étant adsorbée sur les microfibrilles de cellulose. De façon équivalente, les microfibrilles de cellulose enveloppent au moins partiellement les particules de poudre de chitosane. De façon synergique avec le maillage formé par les microfibrilles de cellulose, l’utilisation du chitosane sous forme de poudre permet de minimiser encore l’enrobage de l’espèce propre à former le catalyseur, et d’améliorer la rhéologie de la composition pour son impression.
Selon un exemple, le chitosane 12 est à une proportion au moins sensiblement supérieure à 6 %, dans la composition 1. De préférence, cette proportion sensiblement comprise entre 6 % et 10 % de la masse sèche totale de la composition 1. Lors du développement de l’invention, il a été mis en évidence que ces proportions améliorent l’imprimabilité 3D de la composition. En outre, suite à la pyrolyse (décrite ultérieurement) la carbonisation du chitosane dans ces proportions permet un compris optimal entre la microporosité obtenue et la tenue mécanique.
Notons que dès lors que le chitosane étant sous forme de poudre, sa masse molaire et son degré de désacétylation n’affecteront pas l’activité catalytique de la composition. Selon un exemple, le chitosane présente une masse molaire moyenne en masse sensiblement inférieure à 300 000 g/mol, et de préférence comprise entre 50 000 g/mol et 200 000 g/mol. Le chitosane peut présenter un degré de désacétylation sensiblement supérieur à 70 %, et de préférence compris entre 75 et 85 %.
Le composé électriquement conducteur 10 est à base de carbone. Le composé électriquement conducteur 10 permet d’assurer la conductivité électrique dans la composition 1 et surtout dans le matériau T de l’électrode. Pour cela, la proportion en composé électriquement conducteur 10 peut au moins être sensiblement supérieure à 70 %, et de préférence sensiblement comprise entre 70 % et 85 %, et plus préférentiellement encore entre 75 % et 83 %, de la masse sèche totale de la composition 1.
Au moins 50 %, et de préférence au moins 80 %, du composé électriquement conducteur 10 est fait de particules à base de carbone présentant au moins une dimension nanométrique, c’est à dire inférieure à 200 nm, et de préférence inférieure à 100 nm. Une dimension nanométrique du composé électriquement conducteur favorise sa répartition homogène dans la composition 1. Le composé électriquement conducteur 10 peut être : des particules de graphite, du graphène ou des nanotubes de carbone ou de leurs dérivés.
Le graphène présente une bonne biocompatibilité avec des cellules vivantes. Ainsi, l’électrode une fois implantée n’induit pas la mort de de l’organisme la portant, ni son rejet. Notamment, une réaction inflammatoire de l’organisme implanté est minimisée, et de préférence évitée. En outre, l’électrode induit ainsi une faible, et de préférence une absence, de cytotoxicité, notamment par rapport à une électrode comprenant des nanotubes de carbone. Le graphène peut être sous forme d’oxyde de graphène réduit. Le graphène peut être sous forme de nano-feuillets de graphène, aussi désignés en anglais par le terme « graphene nanoribbons ». Les nano-feuillets de graphène peuvent présenter une largeur inférieure à 100 nm.
Dans la composition 1 , l’espèce 11 propre à former un catalyseur 1T peut être un catalyseur 1T. Le catalyseur 1T dans le matériau T d’électrode 2 est conducteur, afin de permettre un transfert d’électron au composé électriquement conducteur 10. La composition 1 peut comprendre une pluralité d’espèces 11 propres à former un catalyseur 11.
Le catalyseur 1T peut être un catalyseur enzymatique. L’enzyme peut être couplée à un médiateur pour faciliter le transfert d’électron entre l’enzyme et le composé électriquement conducteur 10, selon des techniques connues de l’homme du métier, et ainsi permettre la connexion électrique l’enzyme dans l’électrode. Selon un exemple alternatif, le transfert d’électron peut se faire directement entre l’enzyme et le composé électriquement conducteur. Par exemple, l’enzyme peut être choisie parmi l’enzyme glucose oxydase (Gox) pour l’oxydation du glucose, et la laccase. La proportion massique en enzyme dans la composition 1 peut être sensiblement comprise entre 20 et 30 %, par exemple sensiblement égale à 22%, par rapport à la masse totale sèche de la composition 1.
Le catalyseur 1T peut être un catalyseur abiotique, par opposition aux catalyseurs enzymatiques. Selon un exemple, le catalyseur 1T peut être des particules métalliques, et notamment de métaux nobles, ou d’un alliage de métaux nobles. Les métaux nobles comprennent les métaux suivants : l'or (Au), l'argent (Ag), le rhodium (Rh), l'osmium (Os), le palladium (Pd), le ruthénium (Ru), l'iridium (Ir) et le platine (Pt). De préférence, le catalyseur 1T peut être des particules métalliques d’or, de platine, de palladium ou d’osmium, ou d’un alliage de ces derniers. Les catalyseurs à base de métaux nobles sont coûteux et assez sensibles dans les milieux physiologiques, notamment par empoisonnement par les ions chlorures. Les catalyseurs à base uniquement de carbone avec des hétéroatomes présentent généralement de faibles performances en milieu physiologique. Les catalyseurs à base de métaux de transition sont donc plus adaptés pour la fabrication d’électrode, notamment pour une application dans un dispositif implanté. Selon un autre exemple, le catalyseur 1T peut être un catalyseur moléculaire, c’est à dire des catalyseurs organiques ou organométalliques non enzymatique, tels que les porphyrines.
L’espèce 11 propre à former un catalyseur 1T peut être un précurseur d’un catalyseur 1T, c’est-à-dire une espèce chimique configurée pour être convertie en catalyseur 1T lors de la fabrication de l’électrode 2, par exemple par réduction du précurseur. L’utilisation d’un précurseur de catalyseur 1T présente plusieurs avantages. D’une part, cela peut constituer une alternative aux catalyseurs enzymatique et aux métaux nobles. Les catalyseurs enzymatiques sont sélectifs mais souffrent d’une faible stabilité au cours du temps due à la dénaturalisation progressive de l’enzyme. Les catalyseurs à base de métaux nobles sont onéreux. Un précurseur de catalyseur 1T présente généralement un coût inférieur par rapport à un catalyseur, ce qui permet de limiter le coût de la composition 1 et donc de l’électrode 2 formée. En outre, une quantité plus importante de précurseur peut être utilisée dans la composition 1 , ce qui permet d’augmenter à moindre coût la quantité de catalyseur 1T dans le matériau T, et donc d’augmenter les performances électrochimiques de l’électrode 2. En outre, une répartition homogène du catalyseur 1T dans le matériau T est alors facilitée.
Le précurseur peut être couplé chimiquement au composé électriquement conducteur 10, par exemple par liaison covalente, par des interactions faibles, par empilement TT-TT et/ou des interactions hydrogènes, de façon à doper le composé électriquement conducteur 10 et former des sites catalytiques. Selon un exemple, le précurseur de catalyseur 1T comprend un ion métallique apte à intervenir dans la réduction de l’oxygène une fois réduit. Selon un exemple, l’ion est un ion fer, notamment un ion ferrique ou ferreux. Selon un autre exemple, le précurseur de catalyseur 1T comprend un ion cobalt. Le précurseur de catalyseur 1T peut notamment être un sel ou un complexe de l’ion métallique, par exemple le chlorure de fer (III) de formule FeCI3. Ainsi, la conversion du précurseur en catalyseur 1T permet de doper, par réduction des ions fer, le composé électriquement conducteur 10, et de former des sites catalytique fer. Selon un exemple, décrit plus en détail ultérieurement, la conversion du précurseur en catalyseur 1T permet de doper par des ions métalliques et de l’azote le composé électriquement conducteur 10. Le composé électriquement conducteur 10 dopé est alors désigné catalyseur à base de carbides et des nitrures métalliques, dans lequel le composé supporte des ions ou atomes métalliques lié à des atomes d’azote formant des sites catalytiques. Les sites catalytiques, par exemple à base de fer et azote, vont intervenir dans la réduction de l’oxygène.
Selon un exemple préférentiel, dans le matériau T, au moins une portion 100 du composé électriquement conducteur 10 est dopée pour former le catalyseur 11. De préférence, cette proportion est inférieure à 5 %, et de préférence sensiblement égale à 2 % en masse, pour maximiser les performances électrochimiques de l’électrode 2. Par exemple, le matériau T comprend du graphène dopé fer et azote. Notons qu’on peut prévoir que la composition 1 comprenne le composé électriquement conducteur 10, au moins en partie dopé pour former le catalyseur 1T, sans nécessiter de conversion lors de la fabrication de l’électrode.
La nature du catalyseur 1T ou de l’espèce 1T peut être adaptée selon l’application de l’électrode 2, et notamment en fonction de la (des) réaction(s) d’oxydoréductions envisagée(s). Le choix du type de composé électriquement conducteur 10 peut être fait en fonction du catalyseur 1T présent dans le matériau T de l’électrode formée. De préférence, le composé électriquement conducteur 10 est du graphène. Il peut être préférable d’utiliser les nanotubes de carbone lorsque le catalyseur 1T est une enzyme, et notamment pour l’enzyme glucose oxydase (Gox).
Lors du développement de l’invention, les proportions des composants de la composition 1 ont notamment été identifiées pour obtenir à la fois une bonne imprimabilité 3D et des performances électrochimiques adéquate. En outre, ces proportions peuvent permettre d’atteindre une viscosité particulièrement adaptée à l’impression 3D du corps 20 de l’électrode 2. Selon un exemple, la composition présente une viscosité comprise entre 250 Pa.s et 700 Pa.s, de préférence entre 290 Pa.s et 670 Pa.s. Cette gamme de viscosité, et plus particulièrement la gamme restreinte, sont particulièrement adaptées à la mise en forme de la composition par impression 3D, décrite plus en détail ultérieurement. Pour atteindre ces gammes de viscosité, la teneur en eau de la composition 1 peut plus particulièrement être comprise entre 83 % et 90 % en masse.
Le procédé 4 de fabrication de l’électrode 2 est maintenant décrit en référence aux figures 4 et 6 à 9. Le procédé 4 utilise la composition 1 pour fabriquer l’électrode 2. Notons que le procédé 4 peut comprendre toute étape configurée pour obtenir une caractéristique de l’électrode 2. Le procédé 4 comprend la fourniture d’une composition 1. Préalablement à cette fourniture, le procédé 4 peut comprendre l’élaboration de la composition 1. Pour cela, les composants de la composition 1 peuvent être mélangés ensemble. Le mélange peut ensuite être homogénéisé pour favoriser une dispersion homogène des composants dans la composition 1. Par exemple, l’homogénéisation est faite par un homogénéisateur à tri-cylindres.
Suite à la fourniture de la composition 1, le procédé 4 comprend une mise en forme 40 de la composition 1 , pour former le corps 20 de l’électrode. La composition 1 peut être mise en forme par moulage, par extrusion, par sérigraphie, ou toute autre méthode connue de l’homme du métier. Selon un exemple de réalisation préférentiel, la composition 1 est imprimée en 3D, par un moyen d’impression 400 comme illustré en figure 6. L’impression 3D permet de contrôler la forme du corps 20 de l’électrode 2 et notamment de contrôler le taux de remplissage du corps 20 de l’électrode 2, décrit plus en détail ultérieurement. Lors du développement de l’invention, il a en outre été constaté que l’impression 3D induit une augmentation de la microporosité de la composition 1 lors de la mise en forme 40, et du matériau T de l’électrode. Pour l’impression 3D, il est préférable de travailler à température ambiante, une augmentation de la température pouvant induire un séchage de la composition 1 à l’intérieur du moyen d’impression 400 et un bouchage de ce moyen.
Comme illustré en figure 6, la composition 1 peut être imprimée en couches successives 210, 211 pour former le volume occupé 21 par le matériau T du corps 20 de l’électrode 2. Une couche 210 peut être formée par une pluralité de portions extrudées de composition 1, par exemple des cylindres s’étendant d’un bord à l’autre du corps 20. L’espacement entre les portions extrudées d’une couche 210 peut être varié pour ajuster le taux de remplissage théorique, décrit ultérieurement. Entre deux couches successives 210, 211 , les portions extrudées peuvent être orientées différemment, notamment en étant décalée d’un angle non nul, et par exemple de 90° comme illustré en figure 6 et en figure 7.
Les paramètres d’impression peuvent être optimisés pour éviter une sous- extrusion et d’éviter une sur-extrusion pouvant déformer le corps 20 de l’électrode. Selon un exemple, le diamètre d’extrusion D peut être sensiblement compris entre 0,9 et 1 ,1 mm, et de préférence sensiblement égal à 0,96 mm. En outre, ces diamètres permettent d’obtenir des portions extrudées de diamètre adapté pour une surface d’échange satisfaisante du corps 20 de l’électrode 2.
Les figures 7 à 9 représentent des vues en coupe transversale du corps 20 après la mise en forme 40. Suite à la mise en forme 40, le procédé 4 peut comprendre un séchage 41, comme illustré en figure 8. Le séchage 41 peut être configuré de sorte que la proportion en eau du matériau soit inférieure à 10 %. Le séchage 41 permet d’obtenir un matériau solide plus adapté à la fabrication d’électrode. Le séchage peut par exemple être fait par lyophilisation, afin d’améliorer encore la porosité de l’électrode. Le séchage peut selon un autre exemple être fait à l’air libre, et par exemple sur 72h.
Suite à la mise en forme 40, voire suite au séchage 41, le procédé 4 peut comprendre un recuit thermique, et plus particulièrement une pyrolyse 42 de la composition 1 , comme illustré en figure 9. Pour cela, le corps 20 de l’électrode 2 mis en forme peut être chauffé à une température sensiblement supérieure à 500 °C, et de préférence sensiblement supérieure à 650 °C, et plus préférentiellement à une température sensiblement égale à 700 °C. De préférence, lorsque le composé électriquement conducteur 10 comprend du graphène, la température de pyrolyse est sensiblement inférieure ou égale à 700 °C.
La pyrolyse induit plusieurs effets sur la composition 1. Tout d’abord, les microfibrilles 13 et le chitosane 12 sont pyrolysés, et donc sont décomposés thermiquement. La pyrolyse permet de créer une porosité à la place des microfibrilles 13 et du chitosane 12, comme illustré dans la figure 4. La pyrolyse permet ainsi d’augmenter encore la microporosité du matériau T du corps 20 de l’électrode 2, ainsi que sa conductivité, et donc les performances électrochimiques de l’électrode 2. Il a notamment été montré que les courants limites augmentent d’un facteur de 1 ,5 suite à la pyrolyse, notamment pour un taux de remplissage de 40 %.
En outre, lorsque la composition 1 comprend un précurseur de catalyseur 11 , la pyrolyse permet de convertir in situ le précurseur en catalyseur, par exemple en réduisant les ions métalliques. Comme énoncé auparavant, l’utilisation d’un précurseur permet notamment d’augmenter, à moindre coût, la quantité de catalyseur 1T dans le matériau T et de s’affranchir de l’incorporation dans la composition d’un catalyseur 1T. Les pertes de catalyseur 1T liées à d’éventuels défauts de fabrication pendant l’élaboration de la composition 1 et/ou lors de la mise en forme 40 sont ainsi limitées. Selon un exemple, lorsque le catalyseur 1T dans le matériau T est du graphène dopé, il est possible de s’affranchir de l’utilisation en masse de particules de graphène supportant le catalyseur 1T préalablement synthétisé, dans la formulation de la composition 1.
De préférence, lorsque l’espèce 11 propre à former le catalyseur est une enzyme ou un métal noble, le procédé 4 ne met pas en œuvre cette étape de pyrolyse, afin d’éviter une dégradation du catalyseur 1T.
La pyrolyse peut être réalisée en atmosphère réactive, pour doper au moins une portion 100 du composé électriquement conducteur 10, par exemple illustrée en figure 4, et ainsi augmenter l’activité du catalyseur 1T. Un dopage N peut être obtenu par différentes méthodes. Selon un exemple, la pyrolyse 42 est effectuée dans une atmosphère comprenant de l’ammoniac de façon à effectuer un dopage à l’azote. Cependant, la réduction thermique à haute température de graphène en présence d’ammoniac peut présenter des risques. En alternative, la pyrolyse peut être effectuée en présence d’un précurseur d’azote solide incorporé à la composition 1 , tel que de la poudre de mélamine. La pyrolyse peut alors être effectuée à une température sensiblement égale à 800 °C.
Une fois le corps de l’électrode mis en forme, séché et/ou pyrolysé, des contacts électriques peuvent être raccordés au corps 20 pour former l’électrode 2.
L’électrode 2 est maintenant décrite en référence aux figures 10 à 14. L’électrode 2 peut présenter toute caractéristique résultant du procédé de fabrication décrit, et de la transformation de la composition 1 par le procédé 4. Le matériau de l’électrode peut présenter les mêmes proportions en matière sèche que la composition 1 sauf lorsque l’électrode 2 a subi une pyrolyse suite à laquelle le chitosane 12 et les microfibrilles de cellulose 13 ont été carbonisées.
Le corps 20 de l’électrode 2 peut présenter un volume apparent ou total, délimité par son pourtour 200 extérieur. Selon l’exemple illustré en figure 10, Le matériau T, en incluant sa microporosité, remplit le volume apparent du corps 20. Le taux de remplissage du corps 20 de l’électrode 2 est alors considéré être sensiblement égal à 100 %.
Le taux de remplissage du corps 20 par le matériau T, en incluant sa microporosité, peut être inférieur à 100 %. Le matériau T remplit alors un volume occupé 21. Le volume apparent du corps 20 comprend alors un volume libre 22 et un volume occupé 21. Le taux de remplissage peut être définit comme le rapport du volume occupé 21 sur le volume libre 22. Le matériau n’occupant qu’une portion du volume apparent du corps, la surface accessible de l’électrode 2 est modulable, et peut être augmentée. Les performances électrochimiques de l’électrode 2 peuvent ainsi encore être améliorées. Le taux de remplissage peut être déterminé par mesure sur le matériau 1’, et/ou peut être déduit d’un taux de remplissage théorique défini à partir du modèle sur la base duquel le matériau 1’ est imprimé.
Selon un exemple, le taux de remplissage étant inférieur à 100 %, le matériau T est disposé de façon à maximiser à la surface accessible du corps 20 de l’électrode 2. Pour cela, le matériau T peut être disposé de façon homogène dans le volume total du corps 20. De façon équivalente, le volume occupé 21 et le volume 22 peuvent être répartis de façon homogène dans le volume apparent, comme l’illustre par exemple la figure 11. Ainsi, le corps 20 de l’électrode comprend une macroporosité améliorant encore l’accès au catalyseur 1T et donc les performances électrochimiques de l’électrode 2.
Le taux de remplissage peut être sensiblement compris entre 25 % et 50 %, de préférence sensiblement compris entre 30 % et 40 %, et plus préférentiellement encore le taux de remplissage est sensiblement égal à 40 %. Dans ces gammes et plus encore pour les gammes et valeurs préférentielles, la surface accessible de l’électrode 2 est augmentée, tout en assurant de bonnes propriétés mécaniques du corps 20 de l’électrode 2. Un taux de remplissage de l’ordre de 40 % permet d’obtenir les performances électrochimiques les plus élevées. Au-delà de ces taux, un colmatage des filaments extrudés peut survenir, engendrant la diminution de la macroporosité ainsi que des performances électrochimiques. De plus, un taux de remplissage en dessous de 30 % fragilise le corps 20.
Comme l’illustre vues en coupe transversales des figures 10 et 11 , la forme globale du corps 20, et notamment sa section transversale, peut être polygonale, et par exemple rectangulaire ou carrée. De préférence, comme l’illustre la vue de côté d’une électrode en figure 12, et une vue en coupe transversale en figure 13, la forme globale du corps 20 peut être un cylindre. Un pourtour 200 circulaire permet d’éviter une éventuelle blessure causée par des angles aigus de l’électrode, notamment lorsque l’électrode 2 est implantée. Comme illustré par les figures 10 à 13, le corps peut de préférence présenter un pourtour 200 continu, et minimiser ainsi encore le risque d’éventuelle blessure. En alternative, comme illustré par la figure 14, le corps peut présenter un pourtour apparent 200’ discontinu, c’est-à-dire que le pourtour extérieur n’est pas formé par une bande continue de matériau. Selon un exemple, les portions imprimées de l’électrode 2 présentent un diamètre inférieur à 1 mm.
Exemples de réalisation
Un exemple de composition 1 est maintenant décrit, ainsi que plusieurs exemples de fabrication d’électrodes. Une étude détaillée a été effectuée pour la fabrication d’une cathode imprimée en 3D à base de graphène dopé fer et azote destinée à la réduction du dioxygène. Une composition 1 optimisée a été déterminée, notamment en termes de performances électrochimiques. La composition 1 présente un taux de matière sèche de 17 %, et 83 % d’eau. La matière sèche comprend 6,6 % de chitosane 12, 83,3 % de graphène 10, dont 25 % de graphène dopé et 10 % de microfibrilles de cellulose 13. Dans cet exemple, le graphène est dopé en fer à 2%, c’est à dire qu’une proportion de 2 % en masse du graphène est dopée. La surface spécifique de la composition est de l’ordre de 536 ±2 m2/g.
Selon un premier exemple de fabrication, après une homogénéisation de la composition 1 à l’aide d’un homogénéisateur à trois cylindres, le corps 20 est imprimé en 3D et ensuite séchées à l’air libre pendant 72 h. Les contacts électriques sont ensuite ajoutés.
Les paramètres d’impression de la composition 1 sont donnés dans le tableau suivant.
Le diamètre des portions imprimées de l’électrode, après séchage, est sensiblement compris entre 684 pm et 666 pm pour un diamètre d’extrusion de 0,96 mm.
La densité du corps 20 en fonction du taux de remplissage est donnée dans le tableau suivant.
La figure 15 illustre la macroporosité crée par un taux de remplissage égal à 40 %. La figure 16, qui est un agrandissement de la figure 15, illustre la microporosité obtenue après impression 3D. Pour cette composition 1 , la surface spécifique des corps 20 imprimés en 3D varie entre 552 et 582 m2/g. Le courant mesuré en fonctionnement d’une électrode non pyrolysée, selon cet exemple, est mesurée à environ 400 pA/cm2 et 8 pA/mg.
La figure 17 illustre la surface 5 des pores (en mm2) en fonction du nombre de pores 6, pour différents taux de remplissage théorique 7, déduit du modèle à partir duquel l’électrode est imprimée. Comme l’illustre la figure 17, le taux de remplissage de 40 % permet d’obtenir le nombre de pores le plus élevé et une distribution poreuse homogène, ce qui améliore les performances électrochimiques. En effet, comme l’illustre la figure 18, les plus hauts courants mesurés 8 (en pA/mg), et donc les plus hautes performances électrochimiques, sont mesurés sous air 9a et sous oxygène 9B sont obtenus pour un taux de remplissage théorique 7 de 40 %.
Selon un deuxième exemple de fabrication, le corps de l’électrode 20 est soumis, après sa mise en forme 40 à une pyrolyse à 700 °C en atmosphère réactive d’ammoniac.
Le taux de remplissage ainsi que la pyrolyse permettent ainsi bien une augmentation des performances électrochimiques de l’électrode.
L’électrode 2 et/ou le dispositif 3 comprenant l’électrode 2 peut être encapsulé(e) par une membrane 33, par exemple de PVA, afin de l’isoler du milieu biologique ce qui permet d’améliorer la biocompatibilité et de limiter le bioencrassement de l’électrode 2 et/ou du dispositif 33. D’autres matériaux choisis pour limiter le bioencrassement peuvent être envisagés. Ceci peut être illustré par exemple par les figures 19A et 19B. La membrane de PVA peut par exemple être fabriquée de la façon décrite ci-après. Notons que l’homme peut envisager d’autres méthodes de fabrication de la membrane de PVA. On fait chauffer 16 mL de DMSO et 4 mL d’eau distillée (à une température T°=55°C). On pèse 1 g de PVA (masse molaire en masse Mw comprise entre 85000 et 124000 g/mol) que l’on ajoute au mélange chaud. Après 4h d’homogénéisation, on augmente la température (65°C) pendant une heure pour dissoudre le PVA. Une fois le PVA dissout, on place le bêcher sous vide afin d’éliminer l’oxygène dissout en solution, puis on replace le bêcher sur la plaque chauffante pendant une durée de 15 à 30 minutes.
La solution de PVA est ensuite coulée dans un moule circulaire de 1 mm d'épaisseur placé entre deux plaques de verre permettant d'éliminer l'excès en PVA et les bulles d'air. Ces plaques sont placées à -20°C pendant 12h afin d'effectuer une réticulation physique du PVA. Après décongélation, on obtient une membrane en PVA.
Une ou plusieurs membrane(s) 33 peut/peuvent être mise(s) en forme en « sandwich », c’est à dire de façon à séparer par la membrane 33 les électrodes 2, 32 du dispositif 3, et de façon à isoler le dispositif du milieu environnant, comme par exemple illustré en figure 19B. Pour cela, on peut réaliser avec une ou plusieurs membrane(s) 33 au moins deux compartiments 34 distincts destinés chacun à accueillir une électrode 2, 32. La résistance 31 peut être placée dans l’un ou l’autre des compartiments 34. Par exemple, on commence à sceller la bordure de trois membranes 33. Ensuite, on positionne les électrodes 2, 32 une de chaque côté de la membrane 33 centrale, et puis on scelle les bordures restantes, comme l’illustre pas exemple le passage de la figure 19A à la figure 19B. De préférence, on maintient la pression sur les bords avec des pinces pendant toute une nuit afin d'avoir un scellage complet.
En outre, la cytocompatibilité de la cathode a été validée. Un test d’implantation de la cathode in vivo pendant un mois dans un rat a été effectué, ainsi qu’un test d’implantation in vivo pendant trois mois, démontrant la faisabilité de l’utilisation d’une biopile comprenant une électrode selon l’invention.
Une biocathode 2 cylindrique ayant un diamètre d’environ 1 ,3 cm et une hauteur d’environ 0,25 cm avec un taux de remplissage théorique de l’ordre de 40 % a été fabriquée selon le procédé de fabrication décrit. La biocathode 2 a été reliée à une bioanode 32 enzymatique à base de Glucosê^Dêshydrogénase-Elavine-Adénine- Dinucléotide par le biais d’une résistance 31 de 80 kOhms pour former une biopile 3. L’ensemble a été encapsulé dans une membrane 33 en PVA en forme de sandwich de façon à éviter le contact entre les deux électrodes 2, 32. La distance entre les deux électrodes 2, 32 est d’environ 0,5 mm. Ensuite, la biopile 3 a été stérilisée par exposition à des rayonnements ionisants (source de 60Co), afin de ne pas modifier la structure de la membrane 33 de PVA ni dénaturer les enzymes, par rapport à des méthodes de stérilisation comme un lavage à l’alcool.
Deux piles 3 ont été implantées dans le milieu intraabdominal de deux rats pour deux périodes différentes (un mois et trois mois). Pour chaque période d’implantation, les organes des rats (foie, reins, cœur et poumons) étaient intacts, aucune anomalie n’a été révélée. Le suivi du poids des rats implantés n’a révélé aucune différence significative comparée à un rat témoin non-implanté.
Pour la biopile 3 explantée après 1 mois, aucun tissu biologique enrobant la biopile n’est observé. Un tissu adipeux de 1 millimètre d’épaisseur est formé à l’intérieur de la membrane de PVA. Ceci est probablement dû à une micro perforation de cette dernière qui a enduit une formation de ce tissu plutôt à l’intérieur de la pochette en PVA au vu de la différence de comportement d’anti-bioencrassement entre la membrane de PVA et les matériaux de la biopile.
Pour une période d’implantation de 3 mois, la croissance d’un tissu adipeux, richement vascularisée est observée. Une adhérence de ce dernier au niveau de la graisse mésentérique et de l’estomac est notée. Ce tissu peut être facilement détaché de la membrane 33 de PVA grâce à ses propriétés d’anti-bioencrassement. Une non- biodégradabilité de la membrane 33 de PVA est aussi remarquée après 3 mois d’implantation. Ce tissu cellulaire a fait l’objet d’une étude histologique. Il a été observé une quasi-absence de réactions inflammatoires au bout de 3 mois. Ces résultats mettent ainsi en évidence la biocompatibilité de la biopile 3 implantée. La composition selon l’invention ne présente pas de cytotoxicité une fois implantée dans l’organisme.
Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que l’invention permet d’améliorer les performances électrochimiques d’une électrode.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par l’invention. LISTE DES REFERENCES NUMERIQUES Composition, Matériau d’électrode Matériau d’électrode Composé électriquement conducteur à base de carbone 0 Portion dopée 1 Espèce propre à former un catalyseur T Catalyseur Chitosane 3 Microfibrilles de cellulose ’, 13’ Résidus pyrolysés Électrode 0 corps 00 Pourtour 00’ Pourtour apparent 1 Portion occupée par le volume apparent du matériau10 Première couche 11 Deuxième couche 2 Portion non-occupée par le volume apparent du matériau Dispositif 0 Circuit 1 Résistance 2 Contre-électrode Procédé 0 Mise en forme 00 Moyen d’impression 1 Séchage 2 Pyrolyse Surface des pores Nombres de pores Taux de remplissage Courant électrique a Courant électrique mesurée sous air b Courant électrique mesurée sous oxygène

Claims

25 REVENDICATIONS
1. Composition (1) pour la fabrication d’électrode (2), la composition comprenant :
• un composé électriquement conducteur (10) à base de carbone,
• au moins une espèce (11) propre à former un catalyseur (1T), et
• du chitosane (12) sous forme de poudre, caractérisée en ce que la composition (1) comprend en outre des microfibrilles de cellulose (13), le chitosane (12) étant encapsulé dans les microfibrilles de cellulose (13).
2. Composition (1) selon la revendication précédente, présentant une viscosité comprise entre 250 Pa.s et 700 Pa.s.
3. Composition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, présentant une surface spécifique sensiblement comprise entre 500 et 600 m2/g.
4. Composition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les microfibrilles de cellulose (13) représentent une proportion sensiblement comprise entre 5 % et 20 % de la masse sèche totale de la composition (1).
5. Composition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le chitosane (12) représente une proportion sensiblement comprise entre 6 % et 10 % de la masse sèche totale de la composition (1).
6. Composition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le composé électriquement conducteur (10) à base de carbone représente une proportion sensiblement comprise entre 70 % et 85 % de la masse sèche totale de la composition (1).
7. Composition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’au moins une espèce (11) propre à former un catalyseur (1T) est choisie parmi un catalyseur enzymatique, des particules métalliques, un catalyseur moléculaire, une portion du composé électriquement conducteur dopé par un catalyseur, une portion du composé électriquement conducteur dopé par un précurseur de catalyseur.
8. Composition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le composé électriquement conducteur (10) à base de carbone est choisi parmi des particules de graphite, du graphène ou des nanotubes de carbone, du noir de carbone, du carbone mésoporeux.
9. Composition (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :
• le composé électriquement conducteur (10) à base de carbone est du graphène, et
• au moins une espèce (11) propre à former un catalyseur (1T) est un précurseur de fer dopant une portion (100) du composé électriquement conducteur (10).
10. Électrode (2) destinée à être raccordée électriquement au circuit électrique (30) d’un dispositif (3), l’électrode (2) comprenant un corps (20) à base d’un matériau (1 , T) comprenant :
• un composé électriquement conducteur (10) à base de carbone, et
• un catalyseur (1 T),
• et caractérisée en ce que le corps (20) comprend en outre :
• des microfibrilles de cellulose (13) encapsulant du chitosane (12) sous forme de poudre, ou
• des résidus pyrolysés (12’, 13’) de microfibrilles de cellulose (13) et de chitosane (12).
11. Électrode (2) selon la revendication précédente, dans laquelle le corps (20) présente un volume total dont le taux de remplissage par le matériau (1, T) est sensiblement compris entre 25 % et 50 %.
12. Électrode (2) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, présentant une surface spécifique sensiblement comprise entre 500 et 600 m2/g.
13. Électrode (2) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans laquelle, le corps (20) comprenant des résidus pyrolysés (12’, 13’) de microfibrilles de cellulose (13) et de chitosane (12) :
• le composé électriquement conducteur (10) à base de carbone est du graphène, au moins une portion (100) du composé électriquement conducteur (10) étant dopée par des atomes de fer et d’azote pour former le catalyseur (1T).
14. Procédé (4) de fabrication d’une électrode (2) comprenant l’utilisation de la composition (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
15. Procédé (4) selon la revendication précédente, comprenant :
• une fourniture d’une composition (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 • une mise en forme (40) de la composition (1) par impression 3D pour former un corps (20) de l’électrode (2).
16. Procédé (4) selon la revendication précédente, comprenant, après la mise en forme (30) de la composition, une pyrolyse (42) du corps (20) de l’électrode (2).
17. Dispositif (3) comprenant un circuit électrique (30) relié à une électrode (2) selon les revendications 10 à 13.
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