Hvordan man gør biokatalysatorer udødelige

Oxygen truer bæredygtige katalysatorer, der bruger hydrogen til at producere elektricitet i brændselsceller. Forskere fra Bochum og Marseille har udviklet en måde at bekæmpe dette på.

Effektive katalysatorer til at omdanne brint til elektricitet i brændselsceller til energiomstillingen er ofte baseret på dyre, sjældne metaller som platin. Brugen af ​​billigere metaller og biologiske komponenter, der fungerer lige så effektivt, har indtil videre forkortet katalysatorers levetid, da de er iltfølsomme. Det er lykkedes et forskerhold fra Bochum og Marseille at integrere en sådan katalysator i en ekstremt tynd beskyttelsesfilm af molekylære byggesten, der beskytter den mod ilt og dermed gør dens levetid praktisk talt uendelig, samtidig med at den bevarer sin evne til at arbejde effektivt. Holdet rapporterer i Journal of the American Chemical Society den 16. september 2019.

Forskerne ledet af professor Nicolas Plumeré fra Ruhr Explores Solvation (Resolv) Cluster of Excellence ved Ruhr-Universität Bochum (RUB) arbejdede på denne undersøgelse sammen med Dr. Vincent Fourmond og Dr. Christophe Léger fra Centre national de la recherche scientifique Marseille .

Tykke lag er ikke godt i praksis

Holdene har i nogen tid arbejdet på at få effektive biokatalysatorer, der indeholder oxygenfølsomme hydrogenaser, til at holde længere. "Vi udviklede en selvforsvarsmekanisme baseret på en ledende polymerfilm for omkring fem år siden, " forklarer Nicolas Plumeré. De elektroner, der produceres under oxidationen af ​​brint, transporteres gennem filmen og reagerer med oxygen, som således fjernes, før det kan nå ind i katalysatoren, hvor iltfølsomme enzymer er placeret. "Imidlertid, det var ikke muligt at bruge katalysatorerne i praksis, " siger forskeren. "Ved over 100 mikrometer, polymerfilmene var så tykke, at de hæmmede effektiviteten. "

I det nuværende arbejde, forskerne viser, at selv i en meget tyndere polymerfilm, hydrogenaserne er sikre mod ilt. "Overraskende nok, disse film, som kun er nogle få mikrometer tykke, er endnu mere robuste end de tykkere, " siger Nicolas Plumeré. 50 procent af katalysatoren bidrager nu til katalyse – tallet var kun 0,3 procent for tykkere beskyttende film.

Defineret beskyttelseslag lavet af bittesmå molekylære kugler

Byggestenene, der udgør den beskyttende film, er kernen i den nye udvikling. For det, forskerne bruger små kugler med en diameter på kun fem nanometer, som alle har en identisk struktur, kendt som dendrimerer. Dette gjorde det muligt for dem præcist at kontrollere tykkelsen af ​​det resulterende lag.

Dendrimererne kan transportere elektroner mere effektivt end de tidligere anvendte polymerer. "Denne øgede ledningsevne betyder, at elektronerne bevæger sig hurtigere gennem filmen og er i stand til at stoppe ilt i en større afstand væk fra katalysatoren, " forklarer Plumeré.

22, 000 års effektiv katalyse

Forskerne var overraskede over at observere, at tykkelsen af ​​den beskyttende film har en betydelig effekt på katalysatorens levetid:I en tre mikrometer tyk film, en katalysator overlever i nærvær af oxygen i kun omkring ti minutter. Hvis filmen er seks mikrometer tyk, levetiden kan forlænges til op til et år under samme forhold. "Yderligere to mikrometer i tykkelse forlænger teoretisk katalysatorens levetid til 22, 000 år, siger forskerne, forbløffet.

Nabohjælp forlænger livet

Holdet var lige så overrasket over, at beskyttelsesfilmen ikke kun holder skadelige iltmolekyler væk, men er endda i stand til at reaktivere en katalysator, der ikke længere er funktionel, ved at forsyne den med elektroner fra en nærliggende aktiv katalysator. "Med andre ord:Katalysatorer i denne beskyttende film beskytter ikke kun sig selv, men også hinanden, " opsummerer Plumeré. Denne egenskab gør det også muligt for katalysatorer at have en uendelig levetid i beskyttende lag, der kun er tre mikrometer tykke.

"Denne ekstreme levetid bringer os endnu et skridt tættere på at bruge sådanne iltfølsomme biokatalysatorer i brændselsceller, "siger forskergruppen.