Design and development of Trametes versicolor laccase based cathode
Conception et développement d'une cathode utilisant la laccase de Trametes versicolor
Résumé
The aim of this project is to manufacture an enzymatic biocathode using a laccase that catalyzes the reduction of oxygen to water. In-house produced and purified Laccase from T. versicolor has been selected due to its stability and high redox potential. The laccase was immobilized by covalent bonding (NHS/EDC method) or by adsorption on the functionalized surface of an electrode. The laccase activity in presence of ABTS and the current output without a mediator were evaluated. The direct electron transfer (DET) was achieved between the electrode and the immobilized laccase. To functionalize the carbon electrode surfaces, two functionalization approaches have been investigated. Firstly, the electrodes surfaces were electrochemically functionalized with amine or carboxylic groups using diazonium salt. The laccase was then covalently immobilised on carboxylic functionalised surfaces. Dioxygen reduction was performed by DET and a current density of 25,1±6,1 µA∙cm-2 was obtained. Using an oxidized laccase improved the biocathode performance and allowed to reach a current density of 166,8±21,4 µA∙cm-2. Secondly, for the first time the plasma treatment approach as an innovative, simple and rapid strategy for the chemical functionalization of graphite carbon electrodes was studied. Different plasma parameters were investigated. Depending on the plasma type (air, O2 and N2), carboxylic, carbonyl and amine/amide functionalities were generated. Dioxygen reduction was also performed by DET. The highest current density of 108 µA∙cm-2 was recorded for covalently immobilized laccase on N2 plasma treated surfaces
L'objectif de ce projet est de développer une biocathode enzymatique en utilisant une laccase qui catalyse la réduction de dioxygène en eau. La laccase de T. Versicolor produite au laboratoire a été choisie sur la base de sa bonne stabilité et son potentiel redox élevé. Cette laccase a été immobilisée par liaison covalente (EDC/NHS) ou par adsorption sur la surface d'une électrode de carbone fonctionnalisée. L'activité de laccase en présence d'ABTS et le courant de réduction d'O2 ont été évalués. Le transfert direct d'électrons (TED) a eu lieu entre l'électrode et la laccase immobilisée. Pour fonctionnaliser les surfaces des électrodes de carbone deux approches ont été étudiées. Dans une première approche, les surfaces ont été électrochimiquement fonctionnalisées par réduction de sel de diazonium pour générer des groupements amines ou carboxyliques. La laccase a été ensuite immobilisée par une liaison covalente sur des surfaces fonctionnalisées par des groupements carboxyliques et le courant a atteint une densité de 25,1±6,1 µA∙cm-2. L'oxydation de cette laccase a permis d'atteindre une densité de courant de 166,8±21,4 µA∙cm-2. Une autre stratégie de fonctionnalisation des électrodes qui consiste en traitement des surfaces par plasma a été étudiée. Le procédé plasma est innovant, simple et rapide. Différentes paramètres du plasma ont été étudiés. Selon le type de plasma (air, O2 et N2), des groupements carboxyliques, carbonyles et amines/amides ont été générés. La réduction d'O2 a également été effectuée par TED. Une densité de courant de l'ordre de 108 µA∙cm-2, a été obtenue pour la laccase immobilisée d'une façon covalente sur des surfaces traitées par plasma N2.