Electrochemical Studies on the Biopigment Eumelanin

Pour répondre à la demande énergétique mondiale croissante, nous devons fabriquer des dispositifs de stockage d'énergie pour de multiples besoins futurs. La durabilité motive la recherche de matériaux / produits chimiques abondants, non toxiques et bon marché pour des dispositifs de stockage d'énergie à faible consommation d'énergie et dont l'utilisation n'a pas d'impact négatif sur l'environnement. Les matières organiques actives redox extraites de sources naturelles (bio-sourcées) sont intrigantes pour de tels dispositifs de stockage d'énergie. L'eumélanine qui est un bio-pigment brun-noir à base de quinone est un candidat prometteur pour les électrodes organiques conçus à partir de matériaux provenant des bio-sources. L'eumélanine présente des propriétés fonctionnelles intéressantes, notamment l'absorption optique à large bande, l'activité redox (propriétés de transfert d'électrons) et des propriétés antioxydantes (par chélation des ions métalliques et piégeage des radicaux). Parmi ces propriétés fonctionnelles, le transfert d'électrons est essentiel pour le stockage d'énergie ainsi que pour exploiter les propriétés anti-oxydantes du biopigment. L'eumélanine naturelle est composée de deux éléments de base, le 5,6-dihydroxyindole (DHI) et l'acide 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylique (DHICA). Cependant, son hétérogénéité chimique est reconnue comme le principal défi pour l'étude de ses propriétés redox. Dans cette thèse de doctorat, nous avons fabriqué des eumélanines contrôlées chimiquement à partir leurs éléments constitutifs, à savoir DHI-mélanine, DHICA-mélanine et DHI-DHICA-mélanine dans des rapports contrôlés. L'objectif principal de ce travail est de faire la lumière sur les propriétés redox de l'eumélanine à l'aide de méthodes électrochimiques. Dans l'article 1 et l'article 3, nous avons caractérisé l'eumélanine par les techniques de voltampérométrie et une microscopie électronique à balayage (SEM) dans le but de comprendre et de contrôler davantage ses propriétés électrochimiques basées sur l'effet des ions métalliques, les valeurs de pH des électrolytes, etc. À l'article 2, nous avons étudié l'effet de l'irradiation lumineuse sur les propriétés de stockage d'énergie de l'eumélanine, dans le but d'améliorer lesdites propriétés par la lumière solaire qui est considérée comme source d'énergie durable. En effet, une augmentation de la capacité / capacité d'environ 50% de l'eumélanine est observée sous irradiation lumineuse.

Abstract

To meet the growing global energy demand, we need to fabricate energy storage devices for multiple future needs. Sustainability motivates the search for abundant, non-toxic, low-cost materials/chemicals for low-embedded energy and eco-friendly energy storage devices. Redox active organic materials extracted from natural sources (bio-sourced) are intriguing for such energy storage devices. The quinone-based brown-black biopigment eumelanin is a promising candidate for bio-sourced organic electrode materials. Eumelanin features interesting functional properties including broadband optical absorption, redox activity (electron transfer properties), and antioxidant properties (through metal ion chelation and radical scavenging). Among these functional properties, electron transfer is essential for energy storage as well as to exploit the antioxidant properties of the biopigment. Natural eumelanin is composed of two building blocks, 5,6-dihydroxyindole (DHI) and 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid (DHICA). Natural eumelanin features chemical heterogeneity, which is recognized as the main challenge for studying its redox properties. In this work, we fabricated chemically controlled eumelanins from the building blocks, i.e. DHI-melanin, DHICA-melanin, and DHI-DHICA-melanin in controlled ratios. The main goal of this work is to shed light on the redox properties of eumelanin using electrochemical methods. In Article 1 and Article 3, we conducted cyclic voltammetry and scanning electron microscopy (SEM) on eumelanin, aiming at understanding and further controlling its electrochemical properties based on the effect of metal ions, pH values of the electrolytes, etc. In Article 2, we studied the effect of light irradiation on the energy storage properties of eumelanin, aiming at enhancing its energy storage properties by the sustainable source solar light. Indeed, ca 50% enhanced capacity/capacitance of eumelanin is observed under light irradiation. In Article 3, the antioxidant/prooxidant dual properties of eumelanin are studied by exposing the samples to reactive oxygen species (ROS) and transition metal ions. Cyclic voltammetry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and SEM are used to characterize such effects. Article 3 aims at understanding the dual properties of eumelanin and proposing possible methods to suppress the prooxidant properties of eumelanin, which is reported to be the main cause of neurondegeneration-related diseases.