Effi­zien­te­re Brenn­stoff­zel­len mit En­zy­men

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 wässrige Umgebung, und durch diese gelangt der Ausgangs­stoff für die Reaktion – Wasserstoff – nur schwer zu der enzym­beladenen Elektrode. Dieses Problem löste eine deutsch-portu­giesische Forscher­gruppe, indem sie zuvor entwickelte Konzepte für die Verpackung der Enzyme mit der Gasdiffusions­elektroden-Technik verknüpften. Das so entwickelte System erzielte erheblich höhere Stromdichten, als bisher mit Hydrogenase-Brenn­stoffzellen erreicht wurden.

In dieser elektrochemischen Zelle führten die Forscher die Biobrennstoffzellentests durch. (Bild: Marquard, RUB)

Gasdiffusions­elektroden können gasförmige Ausgangs­stoffe für eine chemische Reaktion effizient zur Elektroden­oberfläche mit dem Kata­lysator trans­portieren. Sie wurden bereits in verschiedenen Systemen getestet – allerdings war der Kata­lysator darin elektronisch direkt an die Elektroden­oberfläche gebunden. „In einem solchen System kann man nur eine einzige Enzymlage auf der Elektrode aufbringen, daher ist der Stromfluss limitiert“, beschreibt Adrian Ruff vom Zentrum für Elektro­chemie der Ruhr-Univer­sität Bochum einen Nachteil. An der Arbeit waren Kollegen des Max-Planck-Instituts für Chemische Energie­konversion in Mülheim an der Ruhr und der Universität Lissabon beteiligt. Zudem waren die Enzyme nicht vor schädlichen Einflüssen aus der Umgebung geschützt. Im Fall der Hydro­genase ist das aber notwendig, weil sie instabil gegenüber Sauerstoff ist.

Die Bochumer Chemiker vom Zentrum für Elektro­chemie haben in den vergan­genen Jahren ein Redox­polymer entwickelt, in das sie die Hydro­genasen einbetten und vor Sauerstoff schützen können. Bislang hatten sie diese Polymer­matrix jedoch nur auf ebenen Elektroden getestet, nicht auf porösen dreidi­mensionalen Strukturen, wie sie Gasdiffusions­elektroden besitzen. „Die porösen Strukturen bieten eine große Oberfläche und ermög­lichen so eine hohe Enzym­beladung“, sagt Wolfgang Schuhmann, Leiter des Zentrums für Elektrochemie. „Aber ob der Sauerstoff­schutzschild auf diesen Strukturen funktioniert und ob das System dann noch gasdurch­lässig ist, war nicht klar.“

Problematisch für den Herstellungs­prozess ist unter anderem, dass die Elektroden hydrophob sind, die Enzyme aber hydrophil. Die beiden Oberflächen neigen also dazu, sich gegenseitig abzustoßen. Daher tropften die Forscher zunächst eine Adhäsions­schicht auf die Elektroden­oberfläche auf, auf die sie dann im zweiten Schritt die Polymer­matrix mit Enzym aufbrachten. „Wir haben gezielt eine Polymer­matrix mit einer optimalen Balance aus hydro­philen und hydro­phoben Eigenschaften synthe­tisiert“, erklärt Ruff. „Nur so war es möglich, stabile Filme mit guter Katalysator­beladung zu erzielen.“

Die so aufge­bauten Elektroden waren immer noch durchlässig für Gas. Außerdem ergaben die Tests, dass die Polymermatrix als Sauerstoff­schutzschild auch bei porösen dreidi­mensionalen Elektroden funktioniert. Mit dem System erzielten die Wissen­schaftler eine Stromdichte von acht Milliampere pro Quadrat­zentimeter. Frühere Bioanoden mit Polymer und Hydro­genase hatten nur ein Milliampere pro Quadrat­zentimeter erreicht. Das Team kombi­nierte die oben beschriebene Bioanode mit einer Biokathode und zeigte, dass sich so eine funk­tionierende Brenn­stoffzelle erzeugen lässt. 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. (Quelle: RUB / pro-physik.de)

Referenz: J. Szczesny et al.: A gas breathing hydrogen/air biofuel cell comprising a redox polymer/hydrogenase-based bioanode, Nat. Commun. 9, 4715 (2018); DOI: 10.1038/s41467-018-07137-6

Link:Zentrum für Elektrochemie, Fakultät für Chemie und Biochemie, Ruhr-Universität Bochum

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