Mikro­biel­le Brenn­stoff­zel­len: Kupfer bes­ser als Koh­len­stoff

Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie-Aufnahme (Reflexionsdaten) eines anodischen, elektrochemisch aktiven Biofilms auf einer Gold-Elektrode (Bild: Baudler et al. / RSC)

Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie-Aufnahme (Reflexions­daten) eines anodischen, elektro­chemisch aktiven Biofilms auf einer Gold-Elektrode (Bild: Baudler et al. / RSC)

Mikrobielle Brennstoffzellen beruhen, darin ist sich die Forschung einig, auf einem hoch­interes­santen Prinzip für die Energie­gewinnung. Sie nutzen lebende Mikro­organismen unmittelbar für die Erzeugung von elektri­schem Strom. Freie Elektronen, die bei Stoff­wechsel­prozessen dieser Organismen entstehen, werden auf die Anode der Brennstoffzelle geleitet und setzen hier – unter­stützt von einer geringen elektrischen Spannung – einen Stromkreislauf in Gang. Damit sich solche Brenn­stoff­zellen in größerem Umfang für die Strom­erzeugung einsetzen können, müssen ihre Anoden aller­dings aus einem Material bestehen, das einerseits möglichst kosten­günstig ist und anderer­seits eine hohe elektrische Leit­fähig­keit besitzt.

Bisher galt Kohlenstoff wegen seiner Verträglichkeit mit lebenden Organismen, seiner Stabi­lität und der relativ geringen Herstellungskosten als dasjenige Material, das am ehesten für die Anoden mikro­bieller Brenn­stoff­zellen infrage kommt. Doch die einge­schränkte Leit­fähigkeit kohlenstoff­haltiger Fasern verschaffte mikro­biellen Brenn­stoff­zellen das Ansehen einer im Prinzip reiz­vollen, aber im Hinblick auf größere techno­logische Anwendungen wenig ergiebigen Energiequelle.

Bilder des unbehandelten Anodenmaterials (metallbeschichtete Graphitelektroden, links) und die jeweiligen Biofilm-Elektroden (rechts; Bild: Baudler et al. / RSC)

Bilder des unbehandelten Anodenmaterials (metallbeschichtete Graphitelektroden, links) und die jeweiligen Biofilm-Elektroden (rechts; Bild: Baudler et al. / RSC)

Neue Untersuchungen eines Teams um Andreas Greiner von der Uni Bayreuth und Uwe Schröder von der TU Braun­schweig kommen nun aber zu einem unerwarteten Ergebnis: Kupfer ist ein Material, das für die Anoden mikro­bieller Brenn­stoff­zellen und verwandter bio­elektro­chemischer Systeme hervorragend geeignet ist. Überraschend ist dieser Befund deshalb, weil Kupfer bisher als ein Metall galt, auf dessen Oberfläche sich auf Dauer keine Mikroorganismen ansiedeln können. Dabei hat man jedoch übersehen, dass diese antimikro­bielle Wirkung sich nicht gegen elektrochemisch aktive Mikro­organismen auf Anoden richtet. Insbesondere Bakterien der Gattung Geobacter bilden auf Kupfer-Anoden eine stabile mikro­bielle Schicht, die in der Regel dicker ist als die entsprechende Schicht auf den bisher üblichen Kohlenstoff-Fasern.

Dies gilt auch für die mikrobielle Schicht, die auf Anoden aus Gold oder Silber entsteht und hinsichtlich ihrer Dicke nur wenig hinter dem ‚Biofilm‘ auf Kupfer-Anoden zurückbleibt. Wie Kupfer galt auch Silber bisher als ein ausnahmslos anti­mikro­bielles Metall. Es war insbe­sondere Markus Langner, der verschie­dene Metalle daraufhin getestet hat, inwieweit sie als Materialien für Anoden geeignet sind.

Kupfer hat den entscheidenden Vorteil der im Vergleich mit Kohlenstoff-Fasern erheblich höheren elektri­schen Leit­fähig­keit. Zudem sind Kupfer-Anoden deutlich preis­günstiger, wenn man nicht allein die Rohstoff­preise für Kupfer und Kohlenstoff, sondern zugleich die Material­mengen in Betracht zieht, die für funktionsfähige Anoden in mikro­biellen Brenn­stoff­zellen tatsäch­lich nötig sind. Weil Kupfer eine sehr gute elek­trische Leit­fähig­keit hat, können Kupfer-Anoden sehr dünn sein, was Material einspart.

„Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass sich mit Kupfer-Anoden die Leistungsfähigkeit bio­elektro­chemischer Systeme erheblich steigern, deren Produktions­kosten aber deutlich senken lassen“, erklärt Greiner. „Damit wächst die Chance, dass mikro­bielle Brenn­stoff­zellen in Zukunft häufiger für die Energie­gewinnung eingesetzt werden und so einen Beitrag zur ‚Energie­wende‘ leisten können.“ (Quelle: U. Bayreuth)

Referenz: A. Baudler et al.: Does it have to be carbon? Metal anodes in microbial fuel cells and related bioelectrochemical systems, Energ. Environ. Sci. 8, 2048 (2015); DOI: 10.1039/c5ee00866b

Links: A. Greiner, Lst. Makromolekulare Chemie II, Universität BayreuthAK Sustainable Chemistry & Energy Research (U. Schröder), Institut für Ökologische und Nachhaltige Chemie, Technische Universität Braunschweig

 

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