Ein Team aus Wissenschaftler/innen des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) konzipierten kürzlich eine Wasserstoff-Sauerstoff-Biobrennstoffzelle, aufbauend auf ein Hydrogenase-Enzym. Publiziert wurden die Ergebnisse im Mai in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Leistungsfähige Enzyme benötigen besondere Bedingungen

Viele Enzyme, die in der Natur vorkommen, sind leistungsfähige Katalysatoren, etwa die sogenannten [FeFe]-Hydrogenasen, mit deren Hilfe Bakterien Wasserstoff produzieren, oder Nitrogenasen, denen es gelingt die stärkste Bindung in der Natur im Stickstoff zu aktivieren. Beide Enzyme sind hochempfindlich gegenüber Sauerstoff, nutzen aber gut verfügbare Nichtedelmetalle in ihren aktiven Zentren. So könnten sie eines Tages teure Edelmetallkatalysatoren ersetzen. Doch noch ist es eine große Herausforderung für die nachhaltige Energieumwandlung solche hochempfindlichen Katalysatoren für Biobrennstoffzellen zu nutzen.

Biobrennstoffzelle mit Enzym realisiert

Das Team um Prof. Dr. Wolfgang Lubitz am MPI CEC und der Bochumer Forschergruppe um Prof. Dr. Wolfgang Schumann zeigte nun, unter welchen Umständen das dennoch möglich ist. Sie nutzten eine sogenannte [FeFe]-Hydrogenase aus dem Bakterium Desulfovibrio desulfuricans. Diese ist zwar ein sehr effizienter Katalysator, muss aber in der Brennstoffzelle vor dem Sauerstoff geschützt werden, der an der zweiten Elektrode zum Betrieb benötigt wird.

In der vorliegenden Arbeit integrierten die Wissenschaftler/innen die [FeFe]-Hydrogenase erstmals in eine mit sogenannten Gasdiffusionselektroden betriebene Biobrennstoffzelle. In dieser werden der Wasserstoff und der Sauerstoff durch eine Membran zu den Enzymen geleitet. Das Team bettete das Enzym in eine Matrix aus einem sogenannten Redoxpolymer ein, welches das Enzym auf der gasdurchlässigen Elektrodenoberfläche fixiert; gleichzeitig schützt es vor den schädlichen Einflüssen von Sauerstoff und stellt zudem elektrischen Kontakt zwischen Enzym und Elektrode her. Mit diesem Aufbau erreichte die Brennstoffzelle bisher nicht erreichte hohe Stromdichten von 14 Milliampere pro Quadratzentimeter und hohe Leistungsdichten von 5,4 Milliwatt pro Quadratzentimeter.

Weitere Informationen zum Forschungsthema finden Sie auf der Website der RUB.

Originale Publikation: Szczesny, J., Birrell, J., Conzuelo, F., Lubitz, W., Ruff, A., Schuhmann, W.: Eine Redoxpolymer-basierte Gasdiffusions-H₂-Oxidationsbioanode mit hoher Stromdichte unter Verwendung von [FeFe]-Hydrogenase aus Desulfovibrio desulfuricans in einer membranfreien Biobrennstoffzelle, in: Angewandte Chemie, 2020, DOI: 10.1002/ange.202006824,
International Edition: DOI: 10.1002/anie.202006824