{"id":58499,"date":"2018-11-19T06:42:11","date_gmt":"2018-11-19T05:42:11","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fmaterialwissenschaften%2Fnaechster-schritt-auf-dem-weg-zu-einer-effizienten-biobrennstoffzelle.html"},"modified":"2018-11-17T19:32:25","modified_gmt":"2018-11-17T18:32:25","slug":"naechster-schritt-auf-dem-weg-zu-einer-effizienten-biobrennstoffzelle","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/naechster-schritt-auf-dem-weg-zu-einer-effizienten-biobrennstoffzelle\/","title":{"rendered":"N\u00e4chster Schritt auf dem Weg zu einer effizienten Biobrennstoffzelle"},"content":{"rendered":"

Brennstoffzellen, die mit dem Enzym Hydrogenase arbeiten, sind prinzipiell genauso effizient wie solche, die das teure Edelmetall Platin als Katalysator enthalten. Allerdings brauchen die Enzyme eine w\u00e4ssrige Umgebung, und durch diese gelangt der Ausgangsstoff f\u00fcr die Reaktion \u2013 Wasserstoff \u2013 nur schwer zu der enzymbeladenen Elektrode. Dieses Problem l\u00f6sten Forscherinnen und Forscher, indem sie zuvor entwickelte Konzepte f\u00fcr die Verpackung der Enzyme mit der Gasdiffusionselektroden-Technik verkn\u00fcpften. Das so entwickelte System erzielte erheblich h\u00f6here Stromdichten, als bisher mit Hydrogenase-Brennstoffzellen erreicht wurden.<\/strong><\/p>\n

In der Zeitschrift \u201eNature Communications\u201c beschreibt ein Team des Zentrums f\u00fcr Elektrochemie der Ruhr-Universit\u00e4t Bochum gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Chemische Energiekonversion in M\u00fclheim an der Ruhr und der Universit\u00e4t Lissabon, wie sie die Elektroden entwickelten und testeten. Der Artikel ist am 9. November 2018 erschienen.<\/p>\n

Vor- und Nachteile von Gasdiffusionselektroden<\/h3>\n

Gasdiffusionselektroden k\u00f6nnen gasf\u00f6rmige Ausgangsstoffe f\u00fcr eine chemische Reaktion effizient zur Elektrodenoberfl\u00e4che mit dem Katalysator transportieren. Sie wurden bereits in verschiedenen Systemen getestet \u2013 allerdings war der Katalysator darin elektronisch direkt an die Elektrodenoberfl\u00e4che gebunden. \u201eIn einem solchen System kann man nur eine einzige Enzymlage auf der Elektrode aufbringen, daher ist der Stromfluss limitiert\u201c, beschreibt der Bochumer Chemiker Dr. Adrian Ruff einen Nachteil. Au\u00dferdem waren die Enzyme nicht vor sch\u00e4dlichen Einfl\u00fcssen aus der Umgebung gesch\u00fctzt. Im Fall der Hydrogenase ist das aber notwendig, weil sie instabil gegen\u00fcber Sauerstoff ist.<\/p>\n

Redoxpolymer als Sauerstoffschutzschild<\/h3>\n

Die Bochumer Chemiker vom Zentrum f\u00fcr Elektrochemie haben in den vergangenen Jahren ein Redoxpolymer entwickelt, in das sie die Hydrogenasen einbetten und vor Sauerstoff sch\u00fctzen k\u00f6nnen. Bislang hatten sie diese Polymermatrix jedoch nur auf ebenen Elektroden getestet, nicht auf por\u00f6sen dreidimensionalen Strukturen, wie sie Gasdiffusionselektroden besitzen.<\/p>\n

\u201eDie por\u00f6sen Strukturen bieten eine gro\u00dfe Oberfl\u00e4che und erm\u00f6glichen so eine hohe Enzymbeladung\u201c, sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Leiter des Zentrums f\u00fcr Elektrochemie. \u201eAber ob der Sauerstoffschutzschild auf diesen Strukturen funktioniert und ob das System dann noch gasdurchl\u00e4ssig ist, war nicht klar.\u201c<\/p>\n

Enzyme auf Elektroden aufbringen<\/h3>\n

Problematisch f\u00fcr den Herstellungsprozess ist unter anderem, dass die Elektroden hydrophob, also wasserabweisend, sind, die Enzyme aber hydrophil, also wasserliebend. Die beiden Oberfl\u00e4chen neigen also dazu, sich gegenseitig abzusto\u00dfen. Daher tropften die Forscher zun\u00e4chst eine Adh\u00e4sionsschicht auf die Elektrodenoberfl\u00e4che auf, auf die sie dann im zweiten Schritt die Polymermatrix mit Enzym aufbrachten. \u201eWir haben gezielt eine Polymermatrix mit einer optimalen Balance aus hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften synthetisiert\u201c, erkl\u00e4rt Adrian Ruff. \u201eNur so war es m\u00f6glich, stabile Filme mit guter Katalysatorbeladung zu erzielen.\u201c<\/p>\n

Die so aufgebauten Elektroden waren immer noch durchl\u00e4ssig f\u00fcr Gas. Au\u00dferdem ergaben die Tests, dass die Polymermatrix als Sauerstoffschutzschild auch bei por\u00f6sen dreidimensionalen Elektroden funktioniert. Mit dem System erzielten die Wissenschaftler eine Stromdichte von acht Milliampere pro Quadratzentimeter. Fr\u00fchere Bioanoden mit Polymer und Hydrogenase hatten nur ein Milliampere pro Quadratzentimeter erreicht.<\/p>\n

Funktionst\u00fcchtige Biobrennstoffzelle<\/h3>\n

Das Team kombinierte die oben beschriebene Bioanode mit einer Biokathode und zeigte, dass sich so eine funktionierende Brennstoffzelle erzeugen l\u00e4sst. Sie erreichte eine Leistungsdichte von bis zu 3,6 Milliwatt pro Quadratzentimeter und eine Leerlaufspannung von 1,13 Volt, die knapp unter dem theoretischen Maximum von 1,23 Volt liegt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Brennstoffzellen, die mit dem Enzym Hydrogenase arbeiten, sind prinzipiell genauso effizient wie solche, die das teure Edelmetall Platin als Katalysator enthalten. Allerdings brauchen die Enzyme eine w\u00e4ssrige Umgebung, und durch diese gelangt der Ausgangsstoff f\u00fcr die Reaktion \u2013 Wasserstoff \u2013 nur schwer zu der enzymbeladenen Elektrode. Dieses Problem l\u00f6sten Forscherinnen und Forscher, indem sie zuvor […]<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[13294,15124],"supplier":[5225,1806,8708],"class_list":["post-58499","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","tag-brennstoffzelle","tag-katalysator","supplier-max-planck-institut-fuer-chemische-energiekonversion","supplier-ruhr-universitaet-bochum","supplier-universidade-lisboa"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/58499","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=58499"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/58499\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=58499"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=58499"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=58499"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=58499"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}