{"id":88748,"date":"2021-05-31T06:41:51","date_gmt":"2021-05-31T04:41:51","guid":{"rendered":"http:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=https%3A%2F%2Fwww.biofuelsdigest.com%2Fbdigest%2F2021%2F05%2F23%2Fresearchers-succeed-in-new-enzyme-system-for-hydrogen-conversion%2F"},"modified":"2021-09-09T21:05:16","modified_gmt":"2021-09-09T19:05:16","slug":"enzym-system-fuer-die-wasserstoff-wirtschaft","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/enzym-system-fuer-die-wasserstoff-wirtschaft\/","title":{"rendered":"Enzym-System f\u00fcr die Wasserstoff-Wirtschaft"},"content":{"rendered":"

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.<\/strong><\/p>\n

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Dawit Filmon ist Teil des Forschungsteams, das die Publikation herausgegeben hat.
\u00a9 Jan Winter \/ TUM<\/figcaption><\/figure>\n

Allerdings galten diese Biokatalysatoren bisher als ungeeignet f\u00fcr den industriellen Einsatz, da sie hoch empfindlich gegen Sauerstoff sind. Einem Forschungsteam der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen, der RUB, des Centre national de la recherche scientifique 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. Die Forschenden berichteten die Ergebnisse im M\u00e4rz 2021 in der Zeitschrift Nature Catalysis.<\/p>\n

Haltbarkeit und Aktivit\u00e4t im Widerstreit<\/h3>\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<\/p>\n

Elektrobiotechnologie an der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen, fr\u00fcher an der Ruhr-Universit\u00e4t Bochum. \u201eOhne diesen Schutz verlieren sie ihre Aktivit\u00e4t innerhalb von Minuten.\u201c<\/p>\n

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

Feinabstimmung des Potenzials<\/h3>\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

Bei genaueren Untersuchungen stellten die Forschenden 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

Biokatalysator f\u00fcr die Wasserstoff-Umwandlung<\/h3>\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

Mit einer Leerlaufspannung von 1,16 Volt, 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

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

Blaupause f\u00fcr neue Biokatalysatoren<\/h3>\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

\"Strukturbild
Strukturbild der Hydrogenase aus Desulfovibrio desulfuricans: In seinem aktiven Zentrum sorgt ein Eisen-Schwefel-Cluster f\u00fcr die Oxidation des Wasserstoffs zu Protonen beziehungsweise die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff. Weitere Eisen-Schwefel-Cluster erm\u00f6glichen die Weiterleitung der Elektronen zum umgebenden Polymer.
\u00a9 Dr. James Birrell \/ MPI CEC<\/figcaption><\/figure>\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

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","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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. Allerdings galten diese Biokatalysatoren bisher […]<\/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":[5572,5571],"tags":[14051,15124,13255],"supplier":[5072,5225,1806,263],"class_list":["post-88748","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","category-co2-based","tag-energie","tag-katalysator","tag-wasserstoff","supplier-centre-national-de-la-recherche-scientifique-cnrs","supplier-max-planck-institut-fuer-chemische-energiekonversion","supplier-ruhr-universitaet-bochum","supplier-technische-universitaet-muenchen"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/88748","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=88748"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/88748\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=88748"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=88748"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=88748"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=88748"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}