Für einen kommerziellen Einsatz genügt es noch nicht, dennoch ist bemerkenswert, was einem Team aus deutschen und portugiesischen Elektrochemikern gelungen ist: Die Forscher der Ruhruniversität Bochum, des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr und der Universität Lissabon haben die Stromdichte einer Biobrennstoffzelle verachtfacht. Der Schlüssel dazu ist ein speziell entwickeltes Polymer, wie das Team im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet.

Enzym ersetzt Platin

Herkömmliche Brennstoffzellen benötigen als Katalysator das teure Metall Platin. Seit Jahren forschen Chemiker daher an günstigeren Alternativen. Große Hoffnungen ruhen auf den sogenannten Biobrennstoffzellen, insbesondere jener Variante, in der das Enzym Hydrogenase die Funktion des Platins übernimmt. Während das Enzym hydrophil ist – also Wassermoleküle anzieht – , nur in einer wässrigen Lösung funktioniert und empfindlich auf Sauerstoff reagiert, sind die Anforderungen einer Brennstoffzelle genau entgegengesetzt: Die Anode ist hydrophob (Wasser abstoßend), die wässrige Lösung behindert den Transport des Wasserstoffs zur Anode und Sauerstoff ist Teil der Reaktion.

Polymer löst chemische Probleme

Gelöst haben die Forscher das Problem durch ein speziell entworfenes Polymer, das einen porösen Körper bildet. Dort können die Hydrogenasen eingebettet werden. Damit sind sie vor dem Kontakt mit Sauerstoff geschützt. Außerdem hat das Polymer ausgewogen hydrophobe und hydrophile Eigenschaften, sodass es als Bindeglied zwischen den Enzymen und der Anode fungieren kann. „Die porösen Strukturen bieten eine große Oberfläche und ermöglichen so eine hohe Enzymbeladung“, nennt Wolfgang Schuhmann, Leiter des Zentrums für Elektrochemie an der Universität Bochum, einen weiteren Vorteil.

3D-Struktur verachtfacht Stromdichte

Diese hohe Enzymbeladung war das eigentliche Ziel der Entwicklung. Bislang konnte nur eine einzige Enzymlage auf die Anode aufgebracht werden, was den Stromfluss limitierte. Dank des Polymers lassen sich die Hydrogenasen nun in weit höherer Konzentration mit sogenannten Gasdiffusionselektroden verwenden, die eine dreidimensionale Struktur besitzen.

Das neue System erreicht eine Stromdichte von acht Milliampere pro Quadratzentimeter, achtmal so hoch wie bisherige Kombinationen aus Enzym und Polymer. Kombinierten die Chemiker ihre Bioanode mit einer Biokathode, erreichte die so gebildete Biobrennstoffzelle eine Leistungsdichte von bis zu 3,6 Milliwatt pro Quadratzentimeter. Die Leistungsdichte kommerzieller Brennstoffzellen mit Platinkatalysator liegt etwa um den Faktor 100 höher. Bis zu einer wirtschaftlichen Anwendung der Biobrennstoffzelle sind somit weitere Optimierungen erforderlich.

bl