Biokatalysatoren

Enzyme in Biobrennstoffzellen vor Sauerstoff schützen

Ein internationales Forscherteam hat einen neuen Mechanismus entwickelt, um Enzyme als Biokatalysatoren in Brennstoffzellen vor Sauerstoff zu schützen.

In dieser elektrochemischen Zelle führten die Forscher die Biobrennstoffzellentests durch. © RUB, Kramer

Die Enzyme, sogenannte Hydrogenasen, sind ebenso effizient wie Edelmetallkatalysatoren, aber instabil, wenn sie mit Sauerstoff in Kontakt kommen. Daher sind sie bislang nicht für technologische Anwendungen geeignet. Der neue Schutzmechanismus basiert auf Sauerstoff verbrauchenden Enzymen, die ihre Energie aus Zucker beziehen. Die Forscher zeigten, dass sie mit diesem Schutzmechanismus eine funktionstüchtige Biobrennstoffzelle erzeugen konnten, die mit Wasserstoff und Glukose als Treibstoff arbeitet.

Das Team um Dr. Adrian Ruff und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum beschreibt die Ergebnisse gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr und der Universität Lissabon in der Zeitschrift Nature Communications vom 10. September 2018.

Früherer Schutzmechanismus senkte Leistung
Bereits in früheren Arbeiten hatte das Team vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie gezeigt, dass sich Hydrogenasen vor Sauerstoff schützen lassen, wenn man sie in ein Polymer einbettet. „Allerdings hat dieser Mechanismus Elektronen verbraucht, was die Leistung der Brennstoffzelle gesenkt hat“, sagt Adrian Ruff. „Außerdem wurde ein Teil des Katalysators für den Schutz des Enzyms verbraucht.“ Daher suchten die Wissenschaftler nach Wegen, das katalytisch aktive System vom Schutzmechanismus zu entkoppeln.

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Enzyme fangen Sauerstoff ab
Mithilfe von zwei Enzymen bauten sie ein Sauerstoffentfernungssystem um die stromproduzierende Elektrode herum. Zunächst beschichteten die Forscher die Elektrode mit den Hydrogenasen, welche in eine Polymermatrix eingebettet waren, um sie zu fixieren. Darauf setzten sie eine weitere Polymermatrix, die die darunter liegende Katalysatorschicht vollständig umschloss. Sie enthielt zwei Enzyme, die Sauerstoff mithilfe von Zucker zu Wasser umsetzen. In der unten liegenden Hydrogenase-haltigen Schicht wird Wasserstoff oxidiert. Die Elektrode nimmt die dabei frei werdenden Elektronen auf. Die Deckschicht entfernt schädlichen Sauerstoff.

Funktionstüchtige Brennstoffzelle gebaut
In weiteren Versuchen kombinierte die Gruppe die oben beschriebenen Bioanoden mit Biokathoden, welche ebenfalls auf der Umsetzung von Glukose basieren. Auf diese Weise erzeugte das Team eine funktionstüchtige Biobrennstoffzelle. „Die kostengünstige und reichlich vorhandene Biomasse Glukose stellt dabei nicht nur den Brennstoff für das Schutzsystem dar, sondern treibt auch die Biokathode an und generiert so einen Stromfluss in der Zelle“, resümiert Wolfgang Schuhmann, Leiter des Zentrums für Elektrochemie und Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation. Die Zelle hatte eine Leerlaufspannung von 1,15 Volt – der höchste Wert, der bislang für eine Zelle, die eine polymerbasierte Bioanode enthält, erreicht wurde.

Mechanismus auf andere Enzyme übertragbar
„Wir gehen davon aus, dass das Prinzip dieses Schutzschildmechanismus auf jeden empfindlichen Katalysator übertragen werden kann, wenn das passende Enzym ausgewählt wird, das die entsprechende Abfangreaktion katalysieren kann“, sagt Wolfgang Schuhmann.

Förderung
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC1069) und einer Deutsch-Israelischen Projektkooperation (LU 315/17-1/2). Sie unterstützte die Studie außerdem gemeinsam mit dem französischen Partner Agence Nationale de la Recherche (ANR) im Rahmen der Projekte SHIELD PL746/2-1 und ANR-15-CE05-0020. Weitere Förderung kam von der portugiesischen Fundação para a Ciência e Tecnologia im Rahmen der Grants UID/Multi/04551/2013 und LISBOA-01-0145-FEDER-007660 (kofinanziert durch FCT/MCTES und FEDER-Förderung durch COMPETE2020), PTDC/BBB-BEP/2885/2014 und das Promotionsstipendium SFRH/BD/100314/2014.

Publikation:
Adrian Ruff, Julian Szczesny, Nikola Markovic, Felipe Conzuelo, Sónia Zacarias, Inês A.C. Pereira, Wolfgang Lubitz, Wolfgang Schuhmann: A fully protected hydrogenase/polymer-based bioanode for high-performance hydrogen/glucose biofuel cells; in: Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06106-3

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