The interaction between Pt and its carbon support was investigated by a model electrochemical system. This entailed aggressively oxidising a two-dimensional carbon substrate, i.e. highly orientated pyrolytic graphite (HOPG) and mirror finish graphite (MFG) quartz crystal, to incorporate oxygen terminated groups into the graphitic matrix. This study focusses on potential cycling to determine the mobility of Pt across these carbon surfaces and the effect of the Pt anchoring to carbon on the electrocatalyst durability. This work incorporates both a conventional three electrode electrochemical setup and the use of the electrochemical quartz crystal nano-balance (EQCN). The objectives of this study were to better understand the Pt mobility across the carbon substrate surface and to gain insight into the solid-liquid interface of Pt dissolution due to potential cycling. Initial results on HOPG as discussed in chapter 2, indicated minimal Pt dissolution of between 13% and 15% of total electrochemical active surface area loss. These results, however, did not provide adequate evidence to conclusively determine the extent of Pt mobility on the carbon surface and the effect of oxygen terminated groups in hindering Pt dissolution. In order to gain a more thorough understanding of the Pt dissolution processes, the use of the EQCN technique was utilised. Firstly, it was shown that the mirror finished graphite quartz crystals used in the EQCN technique, are qualitatively comparable to the electrochemical measurements recorded with the HOPG samples. Secondly, potential cycling under the same conditions as HOPG produced similar electrochemical results. The frequency response curves from the EQCN yielded the most promising results. This study showed, qualitatively, that the surface of Pt is non-monotonic, and that the surface charge changes with increased potential cycling. Pt/MFG-A had consistent frequency responses over the entire potential range during Pt dissolution, thus, with the above understanding of surface charge, it is concluded that acid treated carbon substrates show a stronger affinity for Pt anchoring.

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Les systèmes microbioélectrochimiques exploitent le métabolisme de microorganismes particuliers afin de catalyser des réactions d'oxydoréduction. Ces microorganismes organisés en biofilms à l'anode ou à la cathode sont en général des bactéries dites électroactives et peuvent être exploités dans une multitude d'applications. Une revue bibliographique des aspects fondamentaux et applicatifs de ce domaine est présentée. La génération d'électricité couplée à l'épuration d'eaux usées à l'anode de piles à combustible microbiologiques a été étudiée. Des bioanodes développées à partir d'acétate (substrat non fermentescible) sont capables de s'adapter et de dégrader le glucose et le lactose (substrats fermentescibles). Leur adaptation et leurs performances dépendent de la maturité du biofilm, du substrat et du renouvellement régulier de l'anolyte. Les propriétés physico-chimiques de la surface des électrodes ont été modulées afin de promouvoir la connexion de biofilms. A l'anode, nous avons étudié le greffage covalent d'acides phényle boroniques susceptibles de se complexer avec des glucides de la membrane externe des bactéries. Cette fonctionnalisation permet de réduire le temps de formation des biofilms et d'en améliorer les performances électriques sur graphite et sur nanotubes de carbone à parois multiples. A la cathode, les modifications de surface connues sur les bioanodes n'ont pas démontré d'influence sur les performances des biocathodes. Les différentes phases du développement de biocathodes catalysant la réduction du dioxygène à haut potentiel ont été étudiées. Le suivi de biocathodes réduisant le CO2 en acides organiques montre une production séquentielle d'acides organiques à chaîne aliphatique de plus en plus longue. / Microbial electrochemical devices use the metabolism of particular microorganisms to catalyze redox reactions. The microorganisms organized as biofilms onto anodes and cathodes are usually bacteria defined as electroactive and can be harnessed in electrochemical devices for several applications. A review of the fundamental and practical aspects of this field is presented. The simultaneous generation of electricity coupled to pollutant removal was studied at the anode of microbial fuel cells. Bioanodes developed with acetate (non-fermentable substrate) can adapt to the degradation of fermentable substrates (glucose and lactose). Their adaptation and performances depend on biofilm age, nature of the substrate and regular replacement of anolyte. The physico-chemical properties of electrode surfaces were tuned in order to promote microbial connection. At the anode, we investigated the covalent grafting of phenylboronic acids functionalities that are expected to bind with saccharides of the external membrane of bacteria. This functionalization leads to faster biofilm connection and higher performances of bioanodes on graphite and multi-walled carbon nanotubes. At the cathode, the grafting of chemical functionalities that already proved beneficial to bioanodes did not influence the performances of biocathodes. Different development phases of biocathodes catalyzing O2 reduction at high potential were studied. The monitoring of biocathodes catalyzing CO2 reduction showed a successive generation of organic acids with increasing aliphatic chain length.

Metals, essential constituents of a vast number of products and industrial processes, are paradoxically confronted to a scarcity issue without precedents. Among the emerging technologies for sustainable metal recovery, bio-electrochemical systems (BES) stand at a research state with a potential application on low-content metal streams. They are based on electroactive bacteria that can exchange electrons with their environment to drive an (electro)chemical metal precipitation. The feasibility of three configurations of BES aiming to recover metals at low-energy and low-chemicals consumption was explored. A first approach inspired on metal-bacteria interactions aimed to transform gold and chromium ions into added-value products. A polarized cathode promoting the metal reduction and symbiotically producing metallic nanoparticles on bacteria was studied. A second configuration used a halophilic bioanode to recover a panel of metals including transition metals and rare earth elements from marine environments. Metals were not directly precipitated by the contact with bacteria, but via a gas-diffusion cathode coupled to the bioanode. The third configuration considered a neodymium electrochemical reduction coupled to an oxidation catalyzed by a bioanode. Here, the conventional metal-containing aqueous system was replaced by an ionic liquid, an emerging solvent suitable for REE electrodeposition. / Les métaux, composants essentiels d'un grand nombre de produits et de processus industriels, sont paradoxalement confrontés à un problème de pénurie sans précédent. Parmi les technologies émergentes pour la récupération durable des métaux, les systèmes bio-électrochimiques (BES) sont à la recherche d’une application potentielle sur des matrices aqueuses de métaux à faible teneur. Ils sont basés sur des bactéries dites électro-actives, pouvant échanger des électrons avec leur environnement afin de conduire une précipitation de (électro)chimique du métal. Le but étant d’explorer différents procédés de récupération de métaux à faible consommation d'énergie et de produits chimiques, trois configurations de BES ont été abordés. Une première approche inspirée des interactions métal-bactérie visait à transformer les ions d’or et de chrome en produits à valeur ajoutée. Une cathode polarisée favorisant la réduction des métaux et produisant de manière symbiotique des nanoparticules métalliques sur des bactéries a été étudiée. Une seconde configuration utilisait une bioanode halophile pour récupérer un panel de métaux comprenant des métaux de transition et des éléments de terres rares provenant d’environnements marins. Les métaux ne sont pas précipités directement par le contact avec les bactéries mais par une cathode à diffusion gazeuse couplée à la bioanode. La troisième configuration envisageait une réduction électrochimique au néodyme couplée à une oxydation catalysée par une bioanode. Le système aqueux contenant un métal conventionnel a été remplacé par un liquide ionique, un solvant émergent avantageux pour l'électrodéposition de terres rares.