Schutz­schild für sen­si­ble Kata­ly­sa­to­ren

Ein neuartiges Hydrogel schützt Katalysatoren vor Sauerstoffmolekülen (rot), die den Katalysator irreversibel schädigen könnten. Es wandelt den Sauerstoff in unschädliches Wasser um (rot-weiß; Bild: F. Conzuelo)

Ein neuartiges Hydrogel schützt Katalysatoren vor Sauerstoffmolekülen (rot), die den Katalysator irreversibel schädigen könnten. Es wandelt den Sauerstoff in unschädliches Wasser um (rot-weiß; Bild: F. Conzuelo)

Ein internationales Forscherteam hat einen Weg gefunden, sensible Katalysatoren vor Schäden durch Sauerstoff zu schützen. Das könnte es in Zukunft ermöglichen, Wasserstoff-Brennstoffzellen mit Biomolekülen wie dem Enzym Hydro­genase oder molekularen Kataly­satoren umzusetzen. Bislang wird dafür das seltene und teure Edelmetall Platin benötigt. Die Forscher aus Bochum und Mülheim ermittelten gemeinsam mit franzö­sischen Kollegen, wie ein Hydrogel als „Schutz­schild“ für die Biomoleküle dienen kann.

Damit Katalysatoren sich für eine industrielle Nutzung eignen, müssen sie effizient, stabil und preis­günstig sowie für eine ganz bestimmte chemische Reaktion maßge­schneidert sein. „Diese Anforderungen in einem Molekül zu kombinieren ist eine große Heraus­forderung“, sagt Nicolas Plumeré, Chemiker an der Ruhr-Univer­sität. Ein neues Hydrogel, in das die Kataly­satoren eingebettet werden, könnte die Entwicklung in Zukunft wesentlich leichter machen. Die Bochumer Forscher konzi­pierten die Arbeit gemeinsam mit Kollegen vom MPI für Chemische Energie­konversion in Mülheim sowie der Univer­sität Aix Marseille und dem Centre National de la Recherche Scientifique.

Für die Versuche arbeitete das deutsche Team mit dem Enzym Hydrogenase aus der Grünalge Chlamydo­monas rhein­hardtii; es spaltet Wasserstoff in Protonen und Elektronen. Normalerweise reichen kleinste Mengen Sauerstoff aus, um das Biomolekül irreversibel zu schädigen. Die Wissen­schaftler bauten es jedoch in ein Hydrogel ein, das zwei Funktionen übernimmt: Es dient als Lösungs­mittel und sorgt dafür, dass alle Reaktions­partner schnell und leicht zum Enzym gelangen. Gleich­zeitig stellt es eine schützende Umgebung bereit, in der der Sauerstoff nicht zum Enzym vordringen kann, auch wenn er in relativ hohen Konzen­trationen vorliegt. Der Trick: Bei der Arbeit der Hydrogenase entstehen Elektronen; sie wandern durch das Hydrogel und werden auf den Sauerstoff übertragen, wodurch dieser in eine unschädliche Form – nämlich in Wasser – umge­wandelt wird.

Mit Simulationen und Experimenten zeigte das deutsch-französische Team noch eine weitere wichtige Eigenschaft des Hydrogels. Die Aktivität einiger Katalysatoren lässt mit der Zeit nach; manche können über spezielle Prozesse wieder funktionstüchtig gemacht werden, für andere Katalysatoren gibt es keinen solchen Reaktivierungs­mechanismus. Das Hydrogel schützt aber selbst solche Kataly­satoren, für die es keinen Reaktivierungs­prozess gibt. „In Zukunft muss man bei der Entwicklung von Kataly­satoren für technische Anwendungen also nicht mehr auf ihre Robust­heit oder passende Reaktivierungs­prozesse achten“, erklärt Olaf Rüdiger, Chemiker am MPI-CEC. „Man kann sich einzig und allein darauf konzen­trieren, die Aktivität des Kataly­sators zu maximieren. Das vereinfacht den Entwicklungs­prozess sehr und eröffnet neue Möglich­keiten für die Herstellung von Brenn­stoffzellen.“ (Quelle: RUB)

Referenzen: A. Alsheikh Oughli et al.: Protection from oxidative damage of the O2 sensitive [FeFe]-hydrogenase from Chlamydomonas reinhardtii using a redox hydrogel, Angew. Chem. Int. Ed., online 12. Juni 2015; DOI: 10.1002/anie.201502776V. Fourmond et al.: The mechanism of protection of catalysts supported in redox hydrogel films, J. Am. Chem. Soc. 137 (16),  5494 (2015); DOI: 10.1021/jacs.5b01194

Links: Nachwuchsgruppe Molecular Nanostructures (N. Plumeré). Zentrum für Elektrochemie (CES), Ruhr-Universität BochumFG Protein-Elektrochemie (O. Rüdiger), Abt. Biophysikalische Chemie (W. Lubitz), Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, Mülheim an der Ruhr

 

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