Je présente une analyse multidisciplinaire du comportement d’une exosphère d’un satellite dont la limite inférieure est une surface solide. Une exosphère par définition n’a pas de limite supérieure, est constituée d’un gaz dont la dynamique n’est pas régie par des collisions et correspond à la région d’interaction entre un objet planétaire et sa planète mère ou étoile. Dans cette thèse, je montrerai qu’une population exosphérique d’un satellite qui serait volatile et dont la dynamique serait fortement dépendante de la température de surface, aura une évolution orbitale synchrone avec le cycle diurne. Par exemple, l’oxygène moléculaire autour d’Europa et de Ganymède, satellites de Jupiter,devrait suivre une telle évolution. Je m’attacherai donc à comparer les résultats d’un modèle 3D Monte Carlo reconstruisant l’évolution de cette exosphère et les observations d’émissions aurorales par le télescope Hubble pour souligner la persistance d’une asymétrie matin/soir caractéristique de ce cycle diurne. Par ailleurs,une analyse plus théorique de l’origine de cette asymétrie nous suggère qu’un réservoird’O2 sous forme gazeuse dans le régolite pourrait être à l’origine de la formation de cette exosphère. En plus de la description de l’O2 exosphérique autour d’Europa, je soulignerai les différences notables avec l’H2O et ses produits. Enfin, j’ai également travaillé à la caractérisation d’une nouvelle technologie pour une source d’ionisation basée sur l’utilisation de nano-tubes de carbone. Cet émetteur d’électron utilisé pour la spectrométrie de masse neutre s’avère nettement plus efficace que les émetteurs classiquement utilisés dans le spatial et devrait donc nous aider à explorer ces exosphères. / I present a multidisciplinary analysis on the behavior of asurface-bounded exosphere synchronously rotating about its primary. Anexosphere is the boundless, external envelope of gas extending from aplanetary surface or atmosphere. This collisionless gas represents theinterface between planets and stars, as it directly interacts with theinterplanetary medium. Should the exosphere possess a population ofvolatiles strongly coupled with the surface temperature, the exospherewill be capable of experiencing a diurnal cycle over an orbitalperiod. I provide the first evidence of the existence of such adiurnal cycle in the molecular oxygen exospheres of two of Jupiter’sicy moons: Europa and Ganymede. The evidence was surmounted by anin-depth comparison between the near-surface ultraviolet oxygenaurorae observations by the Hubble Space Telescope and 3-D Monte Carlosimulations of Europa’s near-surface O2 exosphere, where both auroraeand exospheres where found to be strongly peaking at dusk. Thedusk-over-dawn asymmetry analysis also provides evidence that Europamay harbor a large O2 reservoir embedded in its ice today. Inaddition to O2 , I present the first orbital simulations of all knownwater-products at Europa, and provide perspectives on discerning theeffects of cryovolcanism on the exosphere. Lastly, at LATMOS, Icharacterized a novel ionization source: a carbon nanotube electrongun (CNTeg). This in-situ device used for neutral mass spectrometry,may prove to be a very efficient electron emitter (P < 10 milliWatts)and should aid future searches to detect trace gases in any exosphere.

Les enjeux économiques et écologiques actuels requièrent le développement de réactions et procédés respectueux de l'environnement. Dans ce cadre, nous étudions l'oxydation des hydrocarbures dans des conditions douces, un problème que la Nature a résolu en mettant en œuvre des enzymes dont le site actif contient un ou deux ions du fer, pour obtenir des produits avec efficacité et sélectivité. Parmi ces systèmes, les MonoOxygénases (MO) catalysent l'insertion d'un atome d'oxygène dans une liaison chimique d'un substrat organique inerte (S). Cela passe par l'activation réductrice du dioxygène ce qui mène à des intermédiaires très oxydants de type FeIII-(hydro)peroxo et Fe-Oxo (i.e. FeIV=O ou FeV=O).En utilisant des complexes très simples, nous avons préparé et identifié des intermédiaires réactionnels FeIII-peroxo et FeIV-oxo, à l'aide d'oxydants chimiques (H2O2, peroxydes, peracides...) ou de O2 et d'un réducteur, selon une réaction analogue aux MO à un atome de fer. Ces intermédiaires se sont montrés efficaces, respectivement pour l'hydroxylation catalytique des aromatiques et pour l'oxydation des oléfines et des alcanes, mais souffrent souvent d'un manque de sélectivité. De plus, les intermédiaires générés en présence d’O2 sont consommés par réaction indésirable avec le réducteur chimique ou son sous-produit d’oxydation, rendant la catalyse d’oxydation non réalisable dans ces conditions. Différentes stratégies ont été adoptées lors de cette thèse afin de mimer au mieux l’activité des enzymes et reproduire l’efficacité et la sélectivité de ces réactions d’oxydations.Ainsi, une cavité artificielle (calix[6]arène) a été greffée à nos complexes de fer. Une étude du site catalytique portant une fonction triazole résultant de la chimie « click » a été réalisée. La synthèse d’un nouveau complexe fer-zinc a ensuite été réalisée, où l’insertion des métaux dans leur site de coordination destiné est maîtrisée. L’insertion d’un substrat à l’intérieur de la cavité calixarène a été réalisée, permettant d’obtenir un système qui pourrait améliorer la sélectivité et l’efficacité des réactions d’oxydations des alcanes.La seconde stratégie développée a été d’utiliser une électrode comme source d’électrons lors de l’activation du dioxygène par un complexe de fer(II). L’étude par voltampérométrie cyclique de cette réaction a permis de démontrer la formation d’un adduit FeII-O2 en conditions réductrices. Un intermédiaire FeIII-peroxo a par la suite été détecté en oxydation, qui génère une espèce à haut degré d’oxydation. Cet intermédiaire généré directement en solution à l’aide d’H2O2 pourrait alors réaliser les réactions d’oxydations en conditions oxydantes. De nouveaux systèmes électrocatalytiques pourraient alors être développés. / MonoOxygenases (MO) such as cytochromes P450 catalyse the oxygen atom insertion into a chemical bond of an inert organic substrate following reductive activation of dioxygen. By using very simple Fe(II) complexes bearing amine/pyridine ligands, it is possible to prepare reactive species such as Fe(III)OOH and Fe(IV)O by using chemical oxidants (H2O2, peroxides, peracides...), or O2 in the presence of a chemical reductant via a reaction sequence similar to the one of P450. These intermediates have shown an efficient activity on hydroxylation of aromatic, and oxydation of olefins and alkanes. Nevertheless, these reactions suffer from a lack of specificity and regioselectivity. A drawback to the use of these complexes in oxidation catalysis by O2 is the side reaction between the oxidative intermediate species and the chemical reductant used. To solve these problems, different approaches have been developed during this thesis, in view to better mimic enzymes activity, and reproduce oxidation reactions efficiency and selectivity.A first strategy is to add an artificial cavity (calix[6]aren) to our iron complexes. A study of the catalytic site, bearing a triazole function resulting from the “click” chemistry, have been followed. The synthesis of a new iron-zinc complex have been then realized, with the insertion of the two metals in their destined coordination site was controlled. Insertion of a substrate inside the cavity has been realized, forming a system which could improve selectivity and efficiency of alkanes oxidation reactions.The second strategy developed was to use an electrode as source of electrons, during activation of O2 by an iron(II) complex. The cyclic voltammetry study of this reaction allowed us to reveal the formation of an adduct FeII-O2 in reductive conditions. An intermediate FeIII-peroxo was then detected at the electrode in oxidation, which generates a species with a high oxidation degree. This intermediate, generated in solution directly by reaction with H2O2, could realize oxidation reactions in oxidative conditions. New electrocatalytical systems could be then developed.

Les enjeux économiques et écologiques actuels requièrent le développement de réactions et procédés respectueux de l'environnement. Dans ce cadre, nous étudions l'oxydation des hydrocarbures dans des conditions douces, un problème que la Nature a résolu en mettant en œuvre des enzymes dont le site actif contient un ou deux ions du fer, pour obtenir des produits avec efficacité et sélectivité. Parmi ces systèmes, les MonoOxygénases (MO) catalysent l'insertion d'un atome d'oxygène dans une liaison chimique d'un substrat organique inerte (S). Cela passe par l'activation réductrice du dioxygène ce qui mène à des intermédiaires très oxydants de type FeIII-(hydro)peroxo et Fe-Oxo (i.e. FeIV=O ou FeV=O).En utilisant des complexes très simples, nous avons préparé et identifié des intermédiaires réactionnels FeIII-peroxo et FeIV-oxo, à l'aide d'oxydants chimiques (H2O2, peroxydes, peracides...) ou de O2 et d'un réducteur, selon une réaction analogue aux MO à un atome de fer. Ces intermédiaires se sont montrés efficaces, respectivement pour l'hydroxylation catalytique des aromatiques et pour l'oxydation des oléfines et des alcanes, mais souffrent souvent d'un manque de sélectivité. De plus, les intermédiaires générés en présence d'O2 sont consommés par réaction indésirable avec le réducteur chimique ou son sous-produit d'oxydation, rendant la catalyse d'oxydation non réalisable dans ces conditions. Différentes stratégies ont été adoptées lors de cette thèse afin de mimer au mieux l'activité des enzymes et reproduire l'efficacité et la sélectivité de ces réactions d'oxydations.Ainsi, une cavité artificielle (calix[6]arène) a été greffée à nos complexes de fer. Une étude du site catalytique portant une fonction triazole résultant de la chimie " click " a été réalisée. La synthèse d'un nouveau complexe fer-zinc a ensuite été réalisée, où l'insertion des métaux dans leur site de coordination destiné est maîtrisée. L'insertion d'un substrat à l'intérieur de la cavité calixarène a été réalisée, permettant d'obtenir un système qui pourrait améliorer la sélectivité et l'efficacité des réactions d'oxydations des alcanes.La seconde stratégie développée a été d'utiliser une électrode comme source d'électrons lors de l'activation du dioxygène par un complexe de fer(II). L'étude par voltampérométrie cyclique de cette réaction a permis de démontrer la formation d'un adduit FeII-O2 en conditions réductrices. Un intermédiaire FeIII-peroxo a par la suite été détecté en oxydation, qui génère une espèce à haut degré d'oxydation. Cet intermédiaire généré directement en solution à l'aide d'H2O2 pourrait alors réaliser les réactions d'oxydations en conditions oxydantes. De nouveaux systèmes électrocatalytiques pourraient alors être développés.

Les laccases sont des enzymes de type oxydase, réalisant de manière efficace la réduction du dioxygène en eau. Des études réalisées au laboratoire ont permis de montrer que l’irradiation sous atmosphère inerte d’un système de type, EDTA/[Ru(bpy)3]2+/laccase, conduisait à la photoréduction de l’enzyme via la formation d'une espèce [Ru(bpy)3]2+*. La substitution de l’EDTA par un alcène de type p-styrène sulfonate conduit également à la photoréduction de l’enzyme. L'ouverture à l'air du système permet une consommation d’oxygène concomitante à la détection par RMN de produits d’oxydation tels que l’époxyde, le diol et le p-benzaldéhyde sulfonate. L’influence de la concentration des différents partenaires, de la source d’irradiation et du pH sur l’efficacité de cette réaction a été évaluée. D’autres alcènes tels que le styrène, le cyclohéxène ou le cyclooctène sont également substrats. Le marquage isotopique en présence soit d'H218O soit d'18O2 ainsi que l’utilisation de générateurs d’espèces réactives de l’oxygène, ont permis de proposer un mécanisme majoritaire où l’espèce RuIII, photoproduite avec l'assistance de la laccase, pourrait arracher un électron du substrat qui à son tour réagirait avec le dioxygène présent dans le milieu pour conduire aux produits observés. D’autres complexes photoactivables à base de ruthénium ou de manganèse ont également été employés. Afin d’aborder le contrôle de la réactivité, le greffage covalent d’un photosensibilisateur à base de ruthénium sur une lysine unique à proximité du site d'oxydation des substrats de l'enzyme a été effectué. / Laccases are oxidases that efficiently perform the reduction of dioxygen into water. Studies in the laboratory have allowed to show that irradiation under inert atmosphere of a EDTA/[Ru(bpy)3]2+/laccase system, lead to the photoreduction of the enzyme via the irradiation of [Ru(bpy)3]2+*. The substitution of EDTA by the alkene p-styrene sulfonate results similarly in a photoreduction of the enzyme. Opening the system to air allows a dioxygen consumption with a simultaneous detection of oxidation products such as the epoxide, diol and p-benzaldehyde sulfonate detected by NMR. The influence of the concentration of the partners, the irradiation source and pH on the efficiency of the reaction was evaluated. Other alkenes such as styrene, cyclohexene and cyclooctene are also substrates. Isotopic labeling experiments in the presence of either H218O or 18O2, as well as the use of reactive oxygen species generators, allowed us to propose a main mechanism where the laccase assisted RuIII photogenerated specie would withdraw an electron from the substrate which in turn would react with dioxygen to yield the products observed. Other ruthenium and manganese photosensitizers were also used. To address the control of the reactivity, a covalent grafting of a ruthenium photosensitizer, on a unique lysine nearby the substrate oxidation site of the laccase was done.

Les cytochromes P450 sont des enzymes mononucléaires de fer qui catalysent l’oxydation de liaisons C-H en utilisant le dioxygène de l’air. L’activation de O2 nécessite sa réduction partielle par l'apport de deux protons et deux électrons. Ces derniers sont fournis par le réducteur naturel NADPH par l'intermédiaire d'une flavoprotéine qui permet de convertir l’adduit fer(II)-O2 en un intermédiaire de type fer(III)-peroxo dont les protonations successives permettent la rupture hétérolytique de la liaison O—O et l’obtention d’un intermédiaire de type fer-oxo responsable de l’oxydation du substrat.1 Ce projet s’inscrit dans le cadre de la chimie bio-inspirée, il a pour objectif de développer des catalyseurs de fer non-hémiques afin de réaliser l’oxydation de petites molécules organiques en utilisant le dioxygène de l’air. L’activation du dioxygène est assurée par le biais d’une électrode qui sert de source d’électrons mais également de sonde mécanistique. Pour comprendre le mécanisme de l’activation du dioxygène il est nécessaire (i) de générer les intermédiaires réactionnels oxydants (fer-oxo, fer-(hydro)peroxo) par le biais d’oxydants chimiques comme le PhIO et H2O2 puis (ii) de les caractériser par spectroscopie et électrochimie à basse température. Enfin (iii) l’étude expérimentale par voltampérométrie cyclique de la réaction du complexe de Fe(II) en présence de dioxygène couplée à des simulations de voltampérogrammes de cette même réaction (à l’aide de données thermodynamiques et cinétiques obtenues en (ii)) permettent ainsi de valider le mécanisme de l’activation réductrice du dioxygène de ce système. Ce travail a démontré que les complexes de FeII avec des ligands amines/pyridine peuvent activer le dioxygène à la surface d’une électrode en suivant un mécanisme proche de celui du cytochrome P450. A présent, la difficulté principale est de s’affranchir de la réduction prématurée des intermédiaires lorsqu’ils sont générés à l’électrode. En se basant sur ces résultats, l’essentiel du travail est à présent ciblé sur la compréhension des différents paramètres (première sphère de coordination, conditions expérimentales, …) qui peuvent modifier la stabilité des intermédiaires et donc l’efficacité de la catalyse. / Cytochrome P450 is a mononuclear iron enzyme, which catalyzes the oxidation of robust C-H bonds using O2. Activation of O2 is achieved at the Fe(II) center and requires an electron transfer to convert the iron(II)-dioxygen adduct into an iron(III)peroxo intermediate. After protonation, this latter may directly oxidize substrates or evolves to yield a powerful high valent iron-oxo moiety. In such natural systems, the necessary electrons are provided by a co-substrate NAD(P)H and are conveyed through a reductase.1The aim of this project is to develop non-heme iron(II) complexes as catalysts for the oxidation of small organic molecules by O2. Our objective is to use an electrode to deliver the electrons while providing mechanistic information at the same time thanks to a combined experimental/simulation approach using cyclic voltammetry. This work has shown that simple Fe(II) complexes bearing amine/pyridine ligands can activate O2 at an electrode surface following a mechanism that is reminiscent of the one of P450. However, the main scientific lock is to avoid the fast reduction of the reaction intermediates when they are generated at the electrode. We are currently studying how alterations of the first coordination sphere of the metal center and experimental conditions modulate the formation and the stability of these intermediates and thus, the efficiency of the catalysts.

Le dihydrogène (H2) se présente comme le futur vecteur énergétique pour une économie basée sur des ressources propres et respectueuses de l'environnement. Il est le combustible idéal de la pile à combustible régénérative constituée de deux entités : un électrolyseur pour sa production, et une pile à combustible pour sa conversion directe en énergie électrique. Ce système présente l'avantage d'être compact et autonome. Cependant, l'amélioration de l'activité catalytique des matériaux, leur stabilité et l'élimination de métaux nobles dans leur composition sont nécessaires. Des catalyseurs bifonctionnels à base de métaux de transition associés au graphène ont alors été synthétisés. L'interaction oxyde-graphène a été étudiée sur un catalyseur Co3O4/NRGO. À faible teneur en cobalt, l'interaction entre les atomes de cobalt de l'oxyde et les atomes d'azote greffés sur les plans de graphène a été observée par voltammétrie cyclique. Cette interaction est responsable d'une diminution de la taille des nanoparticules de cobaltite et de l'activité de celles-ci vis-à-vis de la réaction de réduction du dioxygène (RRO). La substitution du cobalt par le nickel dans des structures de type spinelle (NiCo2O4/RGO) obtenu par voie solvothermale, a permis d'améliorer les performances électrocatalytiques vis-à-vis de la RRO et de la RDO. Ce matériau et un autre de type Fe-N-C préparé en collaboration avec un laboratoire de l'Université Technique de Berlin ont servi de cathode dans des études préliminaires réalisées en configuration pile à combustible alcaline à membrane échangeuse d'anion (SAFC). / Hydrogen, as an environmentally friendly future energy vector, is a non-toxic and convenient molecule for regenerative fuel cell, which connects two different technologies: an electrolyzer for H2 production, and a fuel cell for its direct conversion to electric energy. This kind of system possesses many advantages, such as lightness, compactness and more autonomy. However, improvement of activity and durability of electrode materials free from noble metals in their composition is needed. Thereby, bifunctional catalysts composed of transition metals deposited onto graphene-based materials were synthesized. The interaction between the metal atom of the oxide and the graphene doped heteroatom in the Co3O4/NRGO catalyst was investigated physicochemically. With a low cobalt loading, the interaction between cobalt and nitrogen was characterized by cyclic voltammetry, which revealed that it was responsible for decreasing the oxide nanoparticle size, as well as increasing the material activity towards the oxygen reduction reaction (ORR). The substitution of Co by Ni in the spinel structure (NiCo2O4/RGO) obtained by solvothermal synthesis, allowed the enhancement of the electrocatalytic performances towards the ORR and OER. Moreover, this catalyst as well as another material prepared in collaborative program with a lab from Technical University of Berlin were used as cathode in preliminary studies undertaken on solid alkaline fuel cell (SAFC).

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Les équilibres oxydes-dioxygène gazeux ainsi que la stabilité thermique texturale de six solutions solides de zirconium dans la cérine, Ce_1-x Zr_xO₂ (O

L'objectif de ce travail est l'obtention de mimes efficaces d'hémoprotéines telles le cytochrome P450, la myoglobine ou la cytochrome c oxydase, grâce à des variations synthétiques autour d'une porphyrine à anse phénanthroline (Porphen). Un nouveau modèle de cytochrome c oxydase a plus particulièrement été analysé ici. Il est préparé par substitution des deux positions meso d'une Zn-Porphen. Des phénomènes dynamiques ont été observés et étudiés par RMN 1H, mettant en évidence la présence d'atropoisomères et la coordination-décoordination de la pyridine proximale sur le zinc. Le remplacement du zinc par du fer a ensuite permis l'étude de la coordination d'un sixième ligand exogène dans un site distal dynamique. L'évolution de la géométrie du complexe a été suivie par spectrophotométrie UV-Visible et RPE. En présence de ligands azotés de type midazoles, il se forme dans tous les cas des complexes [1 récepteur/ 1 substrat]. La forte affinité de notre modèle pour le dioxygène a été montrée à la fois par spectrophotométrie UV-Visible, RMN 1H et par résonance Raman. Que ce soit en UV-Visible ou en RMN, la réversibilité du dioxygène a été montré par son remplacement par du CO. La souplesse de cette nouvelle architecture a été mise en évidence, par l'observation d'une relative flexibilité lors des études par spectroscopie IR de la fixation de CO dans le site distal. Cette adaptabilité est également à l'origine d'un comportement assez surprenant en électrochimie, où la réduction du fer(III) et l'oxydation du cuivre(I) en présence de O2 sont facilitées. En électrocatalyse, la réduction de O2 par ce nouveau modèle de cytochrome c oxydase n'est pas facilitée en terme de potentiel, mais efficace quant à la contribution d'un mécanisme à 4 électrons.

Dans la nature, la réduction du dioxygène est catalysée par des enzymes de la famille des oxydoréductases. A l’heure actuelle, ces protéines spécifiques et efficaces sont envisagés comme biocatalyseurs au sein de biopile enzymatique. Dans ce contexte, l’optimisation de l’orientation et de la connexion d’oxydases multi-cuivre (MCOs) pour la réduction d’O2 sur des matrices de nanotubes carbone (CNTs) fonctionnalisées a été étudiée. Dans un premier temps, le transfert électronique direct de la laccase est optimisé par la fonctionnalisation non covalente de CNTs par divers dérivés hydrophobes. La dynamique moléculaire ainsi que la modélisation électrochimique ont permis la rationalisation des performances des différentes biocathodes développées. Dans une seconde approche, la modification spécifique par des groupements pyrène de la surface de laccases modifiées par mutagénèse a également été envisagée. La fonctionnalisation supramoléculaire de CNTs par des feuillets de graphène fonctionnalisés d’une part, et par des nanoparticules d’or d’autre part, a également permis de favoriser la connexion de laccases. La seconde partie présente l’élaboration d’autres types de biocathodes basées sur la connexion directe de bilirubines oxydases. Plusieurs stratégies de fonctionnalisation covalente et non covalente de CNTs ont été envisagées. Les différentes biocathodes élaborées par l’assemblage supramoléculaire de MCOs et de matériaux nanostructurés délivrent des densités de courant de réduction du dioxygène de plusieurs mA cm-2. Ces nouvelles bioélectrodes combinées à une bioanode qui catalyse l’oxydation du glucose ont permis le développement de biopiles enzymatiques glucose/O2 délivrant des densités maximales de puissances allant de 250 µW cm-2 à 750 µW cm-2 selon les conditions expérimentales. Enfin une bioanode à base d’une hydrogénase hyperthermophile a été développée et associée à une biocathode à base de bilirubine oxydase pour former un nouveau design de biopile H2/O2. Au sein de ce dispositif, la biocathode à diffusion de gaz réduit directement l’oxygène provenant de l’air, ce qui permet de s’affranchir de l’utilisation d’une membrane séparatrice tout en protégeant l’hydrogénase de sa désactivation en présence d’oxygène. Cette nouvelle biopile délivre une densité maximale de puissance de 750 µW cm-2. / The reduction of oxygen is realized in nature by oxidoreductase enzymes. Currently, these highly specific and efficient proteins are considered as biocatalysts for the development of biofuel cells. In this context, optimizing the orientation and the connection of multicopper oxidase (MCOs) for the reduction of O2 on functionalized carbon nanotubes was studied. In the first part of this manuscript, direct electron transfer of laccase is assessed and optimized by the non-covalent functionalization of CNTs by various hydrophobic derivatives. Electrochemical modeling and molecular dynamics enabled the rationalization of the developed biocathodes efficiency. In a second approach, the specific modification by pyrene moieties of laccases surface modified by protein engineered has also been considered. Additionally, supramolecular functionalization of CNTs by modified graphene sheets and gold nanoparticles also helped to promote laccase connection. The second part presents the development of other types of biocathodes based on the direct connection of bilirubin oxidase. Several strategies of covalent and non-covalent CNTs functionalization have been considered. The different biocathodes developed by the supramolecular assembly of nanostructured materials and MCOs delivered current density of several mA cm-2 for oxygen reduction. These new bioelectrodes combined with a bioanode which catalyzes the glucose oxidation have enabled the development of glucose/O2 enzymatic biofuel cells; delivering maximum power densities from 250 µW cm-2 to 750 µW cm-2 depending on the experimental conditions. Finally a hyperthermophilic hydrogenase based bioanode was developed and associated with a bilirubin oxidase-based biocathode to form a new design of H2/O2 biofuel cell. Within this device, the gas diffusion biocathode directly reduces oxygen from the air, which eliminates the use of a separation membrane while protecting the hydrogenase from its deactivation in the presence oxygen. This new biofuel cell delivers a maximum power density of 750 µW cm-2.