Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie

Warum Bioelektroden für die Energieumwandlung nicht stabil sind

Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben herausgefunden, warum Bioelektroden, die den Proteinkomplex aus der Photosynthese Photosystem I, enthalten, nicht langfristig stabil sind. Solche Elektroden könnten nützlich sein, um Lichtenergie umweltschonend in chemische Energie umzuwandeln. Doch die in der Natur stabilen Proteine sind in halbkünstlichen Systemen auf Dauer nicht funktionstüchtig, weil sich reaktive Moleküle bilden, die das Photosystem I schädigen.

Das Bochumer Forscherteam: Volker Hartmann, Felipe Conzuelo, Fangyuan Zhao und Wolfgang Schuhmann (von links) (Bild: RUB, Kramer)

Das Team um Dr. Fangyuan Zhao, Dr. Felipe Conzuelo und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie zusammen mit Kollegen des Bochumer Lehrstuhls für Biochemie der Pflanzen beschreibt die Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Communications.

Vielversprechende Technik: Bioelektroden
"Die Gesellschaft steht vor der großen Herausforderung, nachhaltigere Wege für die Energieumwandlung und -speicherung finden zu müssen", beschreibt Felipe Conzuelo den Hintergrund des Forschungsprojekts. Dabei sei es wichtig, die Prozesse zu verstehen, die aktuell noch die Lebenszeit von vielversprechenden Techniken limitierten. "Denn nur so können künftig stabile Lösungen entwickelt werden", fügt Fangyuan Zhao hinzu.

Zu den erfolgversprechenden Techniken zählen Elektroden, bei denen das Photosystem I in ein Osmium-haltiges Polymer eingebettet ist. Wird das Photosynthese-Protein durch Licht aktiviert, kann es sehr effizient positive und negative Ladungen voneinander trennen. Dieser Ladungsgradient kann sozusagen als Energiequelle dienen, um weitere Prozesse anzutreiben.

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Reaktive Sauerstoffspezies limitieren die Lebenszeit
"Das Photosystem I arbeitet nicht nur effizient, sondern kommt in der Natur auch in großen Mengen vor – das macht es interessant für halbkünstliche Systeme für die Energieumwandlung", erklärt Felipe Conzuelo. Arbeitet die Bioelektrode jedoch in einer sauerstoffhaltigen Umgebung, nimmt sie langfristig dadurch Schaden.

Die Bochumer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzten die sogenannte elektrochemische Rastermikroskopie, um die Vorgänge an der Elektrodenoberfläche zu verfolgen. An dieser ist das Photosystem I in ein Osmium-haltiges Polymer eingebettet. Sie beobachteten, welche Moleküle sich an der Elektrodenoberfläche bilden, wenn diese mit Licht beschienen wird. Dazu setzten sie das System verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen aus.

Es zeigte sich, dass die Bestrahlung mit Licht reaktive Sauerstoffspezies sowie Wasserstoffperoxid entstehen ließ, die das Photosystem I auf Dauer schädigen können. "Basierend auf unseren Ergebnissen scheint es empfehlenswert, Bioelektroden mit Photosystem I so zu designen, dass sie in einer sauerstofffreien Umgebung operieren können", resümiert Conzuelo.

Förderung

Finanzielle Unterstützung für die Arbeiten kam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 1069) sowie des deutsch-israelischen Projekts "Nanoengineered optoelectronics with biomaterials and bioinspired assemblies" und vom Europäischen Forschungsrat im Rahmen eines ERC Starting Grant (715900).

Originalveröffentlichung

Fangyuan Zhao, Steffen Hardt, Volker Hartmann, Huijie Zhang, Marc M. Nowaczyk, Matthias Rögner, Nicolas Plumeré, Wolfgang Schuhmann, Felipe Conzuelo: Light-induced formation of partially reduced oxygen species limits the lifetime of photosystem 1-based biocathodes, in: Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04433-z

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