Et beskyttende skjold til følsomme enzymer i biobrændstofceller

Et internationalt team af forskere har udviklet en ny mekanisme til at beskytte enzymer mod ilt som biokatalysatorer i brændselsceller. Enzymerne, kendt som hydrogenaser, er lige så effektive som ædelmetalkatalysatorer, men ustabile, når de kommer i kontakt med ilt. De er derfor endnu ikke egnede til teknologiske anvendelser. Den nye beskyttelsesmekanisme er baseret på iltforbrugende enzymer, der henter deres energi fra sukker. Forskerne viste, at de var i stand til at bruge denne beskyttelsesmekanisme til at producere en funktionel biobrændselscelle, der arbejder med brint og glucose som brændstof.

Holdet ledet af Dr. Adrian Ruff og professor Wolfgang Schuhmann fra Center for Elektrokemiske Videnskaber ved Ruhr-Universität Bochum beskriver resultaterne i tidsskriftet Naturkommunikation fra 10. september 2018 sammen med kolleger fra Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr og Universitetet i Lissabon.

Holdet fra Bochum Center for Electrochemical Sciences havde allerede vist i tidligere undersøgelser, at hydrogenaser kan beskyttes mod ilt ved at indlejre dem i en polymer. "Imidlertid, denne mekanisme forbrugte elektroner, hvilket reducerede brændselscellens ydeevne, " siger Adrian Ruff. "Derudover, en del af katalysatoren blev brugt til at beskytte enzymet." Forskerne ledte derfor efter måder at afkoble det katalytisk aktive system fra beskyttelsesmekanismen.

Enzymer fanger ilt

Ved hjælp af to enzymer, de byggede et iltfjernelsessystem omkring den strømproducerende elektrode. Først, forskerne beklædte elektroden med hydrogenaser, som blev indlejret i en polymermatrix for at fiksere dem på plads. De placerede derefter en anden polymermatrix oven på hydrogenasen, som fuldstændigt omsluttede det underliggende katalysatorlag. Den indeholdt to enzymer, der bruger sukker til at omdanne ilt til vand.

Hydrogen oxideres i det hydrogenaseholdige lag i bunden. Elektroden absorberer de elektroner, der frigives i processen. Det øverste lag fjerner skadelig ilt.

Funktionel brændselscelle bygget

I yderligere forsøg, gruppen kombinerede bioanoderne beskrevet ovenfor med biokatoder, som også er baseret på omdannelsen af ​​glukose. På denne måde holdet producerede en funktionel biobrændselscelle. "Den billige og rigelige biomasseglukose er ikke kun brændstoffet til beskyttelsessystemet, men driver også biokatoden og genererer dermed en strøm i cellen, opsummerer Wolfgang Schuhmann, leder af Center for Elektrokemiske Videnskaber og medlem af cluster of excellence Ruhr Explores Solvation. Cellen havde en åben kredsløbsspænding på 1,15 volt - den højeste værdi nogensinde opnået for en celle indeholdende en polymerbaseret bioanode.

"Vi antager, at princippet bag denne beskyttende skjoldmekanisme kan overføres til enhver følsom katalysator, hvis det passende enzym vælges, som kan katalysere den tilsvarende aflytningsreaktion, siger Wolfgang Schuhmann.