{"id":71104,"date":"2021-05-14T02:35:00","date_gmt":"2021-05-14T00:35:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=71104"},"modified":"2021-05-12T15:35:51","modified_gmt":"2021-05-12T13:35:51","slug":"enzym-system-fuer-die-wasserstoff-wirtschaft","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/enzym-system-fuer-die-wasserstoff-wirtschaft\/","title":{"rendered":"Enzym-System f\u00fcr die Wasserstoff-Wirtschaft"},"content":{"rendered":"\n

Einen Traum der Energiewirtschaft k\u00f6nnte ein Enzym wahr werden lassen: Effizient kann es sowohl aus Strom Wasserstoff erzeugen, als auch Wasserstoff in Strom umwandeln. <\/p>\n\n\n\n

Zu seinem Schutz ist das Enzym in ein Polymer eingebettet. Ein internationales Forschungsteam mit ma\u00dfgeblicher Beteiligung von Wissenschaftlern der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen (TUM) hat das System jetzt im renommierten Wissenschaftsjournal Nature Catalysis vorgestellt.<\/p>\n\n\n\n

Sowohl Brennstoffzellen, die Wasserstoff in Strom umwandeln, als auch Elektrolyseure, die durch Wasserspaltung mithilfe von Strom Wasserstoff herstellen k\u00f6nnen, brauchen das seltene und damit teure Edelmetall Platin als Katalysator. Die Natur hat eine andere L\u00f6sung: Enzyme, sogenannte Hydrogenasen. Sie katalysieren die Umwandlung von Wasserstoff sehr schnell und nahezu ohne Energieverlust.<\/p>\n\n\n\n

Allerdings galten diese Biokatalysatoren bisher als ungeeignet f\u00fcr den industriellen Einsatz, da sie hoch empfindlich gegen Sauerstoff sind. Einem Forschungsteam der TU M\u00fcnchen, der Ruhr-Universit\u00e4t Bochum, des CNRS Marseille und des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Chemische Energiekonversion in M\u00fclheim an der Ruhr ist es nun gelungen, die empfindlichen Enzyme so in ein sch\u00fctzendes Polymer einzubauen, dass sie auch f\u00fcr die technische Wasserstoffumwandlung eingesetzt werden k\u00f6nnen<\/p>\n\n\n\n

Haltbarkeit und Aktivit\u00e4t im Widerstreit<\/h5>\n\n\n\n

\u201eBettet man die empfindlichen Hydrogenasen in geeignete Polymere ein, so arbeiten sie auch in Gegenwart von Sauerstoff mehrere Wochen\u201c, sagt Nicolas Plumer\u00e9, Professor f\u00fcr Elektrobiotechnologie<\/a> am TUM Campus Straubing f\u00fcr Biotechnologie und Nachhaltigkeit. \u201eOhne diesen Schutz verlieren sie ihre Aktivit\u00e4t innerhalb von Minuten.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Das Einbetten in sogenannte Redox-Polymere, Kunststoffe, deren Seitengruppen Elektronen \u00fcbertragen k\u00f6nnen, hatte jedoch bisher einen entscheidenden Nachteil: Sie setzten dem Fluss von Elektronen einen hohen Widerstand entgegen. Um ihn zu \u00fcberwinden, musste man Energie investieren, die in Form von W\u00e4rme verloren ging. Die F\u00e4higkeit, Wasserstoff zu erzeugen, b\u00fc\u00dften die eingebetteten Hydrogenasen dabei ganz ein.<\/p>\n\n\n\n

Feinabstimmung des Potenzials<\/h5>\n\n\n\n

Durch geschickte Wahl der Polymer-Seitengruppen gelang es dem Forschungsteam nun, das Redoxpotenzial des Polymers so einzustellen, dass sie nur noch eine geringe \u00dcberspannung brauchten, um den Widerstand zu \u00fcberwinden.<\/p>\n\n\n\n

Bei genaueren Untersuchungen stellten sie fest, dass sich das Potenzial der Seitengruppen durch den Einbau in die Polymermatrix leicht zu positiven Werten hin verschoben hatte. In einem weiteren Anlauf setzten sie daher eine Seitengruppe mit einem entsprechend negativen Potenzial ein. Dieser Trick brachte den Durchbruch: Die Hydrogenase konnte nun die Reaktion ohne Energieverlust wieder in beiden Richtungen katalysieren.<\/p>\n\n\n\n

Biokatalysator f\u00fcr die Wasserstoff-Umwandlung<\/h5>\n\n\n\n

Mit diesem System baute das Forschungsteam eine Brennstoffzelle auf. Sauerstoff wird in dieser durch das Enzym Bilirubin-Oxidase aus dem Bakterium Myrothecium verrucaria reduziert, w\u00e4hrend die im Polymerfilm eingebettete Hydrogenase aus dem Bakterium Desulfovibrio desulfuricans den Wasserstoff oxidiert und dabei Strom erzeugt.<\/p>\n\n\n\n

Mit einer Leerlaufspannung von 1,16 V, dem h\u00f6chsten jemals f\u00fcr ein System dieser Art gemessenen Wert, erreichte die Zelle einen Wert nahe des thermodynamischen Maximums. Gleichzeitig erreichte die Zelle mit drei Milliampere pro Quadratzentimeter eine f\u00fcr biologische Zellen sehr hohe Stromdichte.<\/p>\n\n\n\n

Auch f\u00fcr die umgekehrte Reaktion, die Wasserstoffproduktion durch Aufnahme von Elektronen, ist das System einsetzbar: Seine Effizienz bei der Energieumwandlung liegt auch bei Stromdichten von \u00fcber vier Milliampere pro Quadratzentimeter nahe 100 Prozent. <\/p>\n\n\n\n

Blaupause f\u00fcr neue Biokatalysatoren<\/h5>\n\n\n\n

\u201eDie Verringerung des Energieverlusts hat zwei entscheidende Vorteile\u201c, sagt Nicolas Plumer\u00e9. \u201eDas System wird dadurch nicht nur wesentlich effizienter. Bei hohen Leistungen w\u00e4re die in einem Brennstoffzellen-Stack entstehende W\u00e4rme f\u00fcr die biologischen Systeme ein Problem.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Die weitere Forschung des Teams zielt nun drauf ab, die Stabilit\u00e4t der Hydrogenasen bei h\u00f6heren Stromdichten zu verbessern, um Systemen mit Katalysatoren auf Platin-Basis Konkurrenz machen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen die Erkenntnisse auch auf andere hochaktive aber empfindliche Katalysatoren f\u00fcr Energieumwandlung und Elektrosynthese \u00fcbertragen werden. Unmittelbare Ziele sind hier vor allem Kohlendioxid-reduzierende Enzyme, die mithilfe vom Strom fl\u00fcssige Brennstoffe oder Zwischenprodukten aus Kohlendioxid herstellen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n