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21.10.2019

Schutzfilm für Biokatalysatoren

Forscher der Universität Bochum haben einen dünnen Schutzfilm für Hydrogenasen entwickelt, der diese sicher vor Sauerstoff schützt. So können die Enzyme in Biobrennstoffzellen überdauern.

Nicolas Plumeré entwickelt günstige Katalysatoren als Alternative zu Edelmetallen.
Nicolas Plumeré entwickelt günstige Katalysatoren als Alternative zu Edelmetallen.
Quelle: 
RUB, Marquard

Bislang gab es zwei Arten von Katalysatoren, die für Brennstoffzellen in Frage kamen: teure Edelmetalle wie Platin oder kurzlebige biologische Moleküle. Nun ist es einer Kooperation von Forschern der Ruhr-Universität Bochum (RUB) mit Kollegen aus Marseille gelungen, einen Biokatalysator zu entwickeln, der theoretisch 22.000 Jahre lang hält. Details berichten die Chemiker im Fachmagazin „Journal of the American Chemical Society“.

Früherer Ansatz kostete Effizienz

Der Clou ist dabei eine Schutzhülle für die biologische Komponente, das Enzym Hydrogenase, das unter dem Kontakt mit Sauerstoff normalerweise seine Funktion einbüßen würde. „Vor etwa fünf Jahren haben wir einen Selbstverteidigungsmechanismus entwickelt, der auf einem leitfähigen Polymerfilm basiert“, erläutert Nicolas Plumeré von der RUB die Anfänge. Zwar haben die mehr als 100 Mikrometer dicken Filme schon damals erfolgreich das Eindringen des Sauerstoffs verhindert, aber auch die Effizienz der Brennstoffzelle massiv verringert.

Wenige Mikrometer stoppen den Sauerstoff

In ihren neuen Ansatz verwenden die Forscher nun sogenannte Dendrimere, definierte, nur fünf Nanometer durchmessende Kugeln, aus denen die Schutzhülle aufgebaut ist. „Überraschenderweise sind diese nur wenige Mikrometer dünnen Filme sogar robuster als die dickeren“, berichtet Plumeré. 50 Prozent des Katalysators trügen nun zur Katalyse bei – bei dickeren Schutzfilmen seien es nur 0,3 Prozent gewesen. Entscheidend ist jedoch die überraschende Erkenntnis, das selbst die dünne Schicht aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit für Elektronen die Enzyme in ihrem Inneren gut gegen Sauerstoff abschirmt. Diese Elektronen entstehen bei der Oxidation von Wasserstoff in der Brennstoffzelle und reagieren mit dem Sauerstoff, der dadurch beseitigt wird.

Katalysatoren reaktivieren sich gegenseitig

Schon eine sechs Mikrometer dicke Schutzschicht verlängert die Lebensdauer der Biokatalysatoren auf ein Jahr. „Weitere zwei Mikrometer Dicke zusätzlich verlängern das Leben des Katalysators theoretisch auf 22.000 Jahre“, stellen die Forscher erstaunt fest. Obendrein gelingt es der Schutzhülle, nicht mehr funktionstüchtige Katalysatoren zu reaktivieren, indem sie Elektronen von benachbarten funktionsfähigen Katalysatoren zuleiten. „In andern Worten: Katalysatoren in diesem Schutzfilm schützen nicht nur sich selbst, sondern auch sich gegenseitig“, fasst Plumeré zusammen. Im Ergebnis genüge sogar eine drei Mikrometer dicke Schutzschicht, um den Enzymen ewiges Leben zu verleihen. Der Praxiseinsatz von Biokatalysatoren in Brennstoffzellen ist somit erheblich näher gerückt.

bl

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