Brennstoffzellen Biokatalysator kann Wasserstoff und Strom herstellen

Redakteur: Katharina Juschkat

Brennstoffzellen brauchen das seltene Edelmetall Platin. Einem Forscherteam ist es jetzt gelungen, aus einem Enzym einen platinfreien Biokatalysator für Brennstoffzellen und Wasser-Elektrolyse herzustellen, der industriell einsetzbar ist.

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Dawit T. Filmon, Mitarbeiter von Prof. Nicolas Plumere, hält einen Ausgangsstoff für die Seitenketten des schützenden Polymers in seinen Händen.
Dawit T. Filmon, Mitarbeiter von Prof. Nicolas Plumere, hält einen Ausgangsstoff für die Seitenketten des schützenden Polymers in seinen Händen.
(Bild: Jan Winter / TUM)

Enzym statt Platin: Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, mittels eines Enzyms aus Strom Wasserstoff zu erzeugen und umgekehrt, Wasserstoff in Strom umzuwandeln. Der Clou dabei: Der platinfreie Biokatalysator ist in ein schützendes Polymer gebaut, sodass er auch industriell verwendet werden kann.

Biokatalysator in Polymer eingebettet

Eigentlich brauchen Brennstoffzellen und Elektrolyseure Platin – ein seltenes, teures Edelmetall. Eine Alternative bietet die Natur: Enzyme, sogenannte Hydrogenasen. Sie katalysieren die Umwandlung von Wasserstoff sehr schnell und nahezu ohne Energieverlust.

Diese Biokatalysatoren galten bisher allerdings als ungeeignet für den industriellen Einsatz, da sie hoch empfindlich gegen Sauerstoff sind. Das Forschungsteam hat deshalb die empfindlichen Enzyme in ein schützendes Polymer eingebaut, sodass sie auch für die technische Wasserstoffumwandlung eingesetzt werden können.

So geschützt arbeiten die empfindlichen Hydrogenasen auch in Gegenwart von Sauerstoff mehrere Wochen. Ohne diesen Schutz würden sie ihre Aktivität nach wenigen Minuten verlieren.

Reaktion ohne Energieverlust

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Das Einbetten in sogenannte Redox-Polymere – Kunststoffe, deren Seitengruppen Elektronen übertragen können – hatte jedoch bisher einen entscheidenden Nachteil: Sie setzten dem Fluss von Elektronen einen hohen Widerstand entgegen. Um ihn zu überwinden, musste man Energie investieren, und die in Form von Wärme verloren ging. Die Fähigkeit, Wasserstoff zu erzeugen, büßten die eingebetteten Hydrogenasen dabei ganz ein.

Durch geschickte Wahl der Polymer-Seitengruppen gelang es dem Forschungsteam nun, das Redoxpotenzial des Polymers so einzustellen, dass sie nur noch eine geringe Überspannung brauchten, um den Widerstand zu überwinden.

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.

Brennstoffzelle und Wasserstoffproduktion getestet

Mit diesem System baute das Forschungsteam eine Brennstoffzelle auf. Mit einer Leerlaufspannung von 1,16 V, dem höchsten jemals für 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 für biologische Zellen sehr hohe Stromdichte.

Auch für die umgekehrte Reaktion, die Wasserstoffproduktion durch Aufnahme von Elektronen, ist das System einsetzbar: Seine Effizienz bei der Energieumwandlung liegt auch bei Stromdichten von über vier Milliampere pro Quadratzentimeter nahe 100 Prozent.

Stabilität soll verbessert werden

Die weitere Forschung des Teams zielt nun drauf ab, die Stabilität der Hydrogenasen bei höheren Stromdichten zu verbessern, um Systemen mit Katalysatoren auf Platin-Basis Konkurrenz machen zu können.

Darüber hinaus können die Erkenntnisse auch auf andere hochaktive aber empfindliche Katalysatoren für Energieumwandlung und Elektrosynthese übertragen werden. Unmittelbare Ziele sind hier vor allem Kohlendioxid-reduzierende Enzyme, die mithilfe vom Strom flüssige Brennstoffe oder Zwischenprodukten aus Kohlendioxid herstellen können.

Beteiligt am Forschungsprojekt sind:

  • TU München
  • Ruhr-Universität Bochum
  • CNRS Marseille
  • Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (Mülheim an der Ruhr)

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