Bio­solar­zelle pro­du­ziert Was­ser­stoff

Ein internationales Forscherteam hat molekulare Bausteine von Pflanzen und Mikro­organismen in einer Biosolar­zelle kombiniert, sodass sie Lichtenergie ohne Umwege zur Produktion von Wasserstoff nutzen konnten. In der Natur kommt diese Kombination so nicht vor: Pflanzen können zwar Licht­energie nutzen, um Kohlendioxid in Biomasse zu verwandeln, aber keinen Wasser­stoff produzieren. Manche Bakterien hingegen können Wasserstoff produzieren, aber nicht direkt mithilfe von Lichtenergie.

Die Bochumer Projektbeteiligten Marc Nowaczyk (rechts) und Adrian Ruff (Bild: RUB, Marquard)

„Von der Kombination der beiden Prozesse erhoffen wir uns langfristig eine nachhaltige Herstellung des potenziellen Energie­trägers Wasserstoff“, sagt Privat­dozent Marc Nowaczyk vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen der Ruhr-Universität Bochum, der hier mit dem Team um Erwin Reisner von der University of Cambridge und Adrian Ruff vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie zusammen­gearbeitet hat.

Die hocheffizienten Komponenten zur Lichtumwandlung, die sogenannten Photo­systeme, isolierten die Forscher aus Cyano­bakterien, die wie Pflanzen Licht als Energie­quelle nutzen können. Die Komponente zur Wasserstoff­produktion – ein Enzym namens Hydro­genase – gewannen sie aus Bakterien, die unter sauerstoff­armen Bedingungen leben. Diese Bausteine kombinierten sie mit Redox­polymeren, die die Energie von den licht­aktiven Elementen zu einer Elektrode weiter­leiteten, welche die Wasserstoff­produktion antrieb.

„So konnten wir erstmals eine Biosolar­zelle entwickeln, die direkt einen chemischen Energie­träger, in unserem Fall Wasserstoff, erzeugt“, resümiert Adrian Ruff.

Der modulare Aufbau des Systems ermöglicht einen einfachen Austausch der biologischen und chemischen Bauteile, sodass einzelne Kompo­nenten weiter optimiert oder durch neue Funktionen ersetzt werden können. „Unser molekularer Lego­kasten bietet vielfältige Möglich­keiten für zukünftige Anwendungen“, sagt Nowaczyk. „Denkbar wäre es zum Beispiel, flüssige Energie­träger auf der Basis von Kohlen­stoff aus dem klimaschädlichen Kohlen­dioxid herzustellen.“ (Quelle: RUB)

Referenz: K. P. Sokol et al.: Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase, Nat. Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0232-y

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