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Ein Schutzschirm gegen Sauerstoff: Brennstoffzellen auf Basis von Biokatalysatoren werden möglich.

04.08.2014 - (idw) Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion

Forscherteam aus Mülheim und Bochum berichtet in "Nature":

Die Vorstellung eines neuen und innovativen Konzeptes zur Nutzung kostengünstiger Biokatalysatoren veröffentlichte ein Team um Prof. Wolfgang Lubitz vom MPI für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr sowie Prof. Wolfgang Schuhmann von der Ruhr-Universität Bochum in der Fachzeitschrift "Nature". Bei der Entwicklung von Brennstoffzellen setzten Generationen von Wissenschaftlern und Ingenieuren auf Katalysatoren auf Edelmetallbasis. Sie sind zwar effizient und stabil, aber leider auch teuer und nur in geringen Mengen verfügbar.

Wissenschaftler des Zentrums für Elektrochemie CES an der Ruhr-Universität Bochum und des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr haben jetzt ein innovatives Konzept entwickelt, um kostengünstigere Biokatalysatoren einzusetzen. Ein Puffer schützt die Katalysatoren dabei vor den lebensfeindlichen Bedingungen in der Brennstoffzelle, die bisher ihre Nutzung unmöglich gemacht hat. Die Forscher berichten in der aktuellen Ausgabe von NATURE Chemistry.

Hydrogeneasen: Eine Alternative zu Platin?

Biokatalysatoren für die Wasserstoffherstellung so genannte Hydrogenasen kommen auch in der Natur vor. Sie entwickelten sich ausschließlich aus Elementen, die lebenden Organismen zur Verfügung standen, das heißt ohne Edelmetalle.
Es entstanden komplexe Hydrogenasen, die ausschließlich gut verfügbare Elemente nutzen, wie Nickel oder Eisen. Die effizientesten Hydrogenasen erreichen die Umsatzrate von Platin, wobei die benötigten Elemente nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehen. Damit sind Hyd-rogenasen möglichweise eine interessante Alternative zu Edelmetallen, sagt Prof. Dr. Wolf-gang Schuhmann (Lehrstuhl für Analytische Chemie der RUB). Allerdings können Hydrogena-sen nicht unter den Bedingungen in einer Brennstoffzelle arbeiten. Spuren von Sauerstoff sowie hohe elektrische Potenziale führen zu ihrer Deaktivierung.

Redoxhydrogele: Schutzschild für effiziente aber sensitive Katalysatoren

Das Team in Bochum und Mülheim entwickelte eine neue Strategie, um empfindliche Kataly-satoren trotzdem in Brennstoffzellen betreiben zu können. Die Schlüsselidee dabei ist die Abschirmung des Katalysators durch eine schützende Matrix, deren Eigenschaften spezifisch so entwickelt wurden, dass sie den Deaktivierungsprozess unterbindet.

Anstatt nun die Hydrogenase direkt mit der Elektrode in Kontakt zu bringen, soll die Fixie-rung in einem Redoxhydrogel das Konstrukt schützen. Es ist so beschaffen, dass es gleichzei-tig Redoxpuffer und Sauerstofffänger ist. Dadurch wirken in dem Hydrogelfilm weder hohe Potentiale noch Sauerstoff auf den Biokatalysator ein. Unter bestimmten Arbeitsbedingun-gen kann die mit Hydrogel modifizierte Brennstoffzelle über mehre Wochen chemische Energie aus Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln. In Abwesenheit des Hydrogels wird die Hydrogenase innerhalb kürzester Zeit deaktiviert.

Das Hydrogelkonzept eröffnet die Möglichkeit, auch andere empfindliche biologische und künstliche Katalysatoren, deren intrinsische Stabilität nicht verbessert werden kann, in Brennstoffzellen zu nutzen, so Prof. Wolfgang Lubitz, Direktor vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion. Das ist ein großer Schritt in Richtung eines erheblich verbes-serten Brennstoffzellendesigns und in Richtung einer globalen nachhaltigen Energiewirt-schaft in unserer Gesellschaft.

Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenz-clusters RESOLV (EXC 1069) unterstützt.

Weitere Informationen

Der Link zur Publikation bei Nature Chemistry:
http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2022.html


Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Lehrstuhl für Analytische Chemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-26200, wolfgang.schuhmann@rub.de

Prof. Dr. Dr. h. c. Wolfgang Lubitz, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Energie-konversion in Mülheim an der Ruhr, 0208/306-3614, wolfgang.lubitz@cec.mpg.de
http://www.cec.mpg.de Weitere Informationen:http://www.cec.mpg.de Anhang
Pressemitteilung des Max-Planck-Instiutes für Chemische Energiekonversion
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