Jodidsalte stabiliserer biokatalysatorer til brændselsceller

Ilt er den største fjende af biokatalysatorer til energiomdannelse. En beskyttende film beskytter dem - men kun med en ekstra ingrediens:iodidsalt.

I modsætning til teoretiske forudsigelser, oxygen inaktiverer biokatalysatorer til energiomdannelse inden for kort tid, selv under en beskyttende film. Et forskerhold fra Resolv Cluster of Excellence ved Ruhr Universität Bochum (RUB) har fundet ud af hvorfor:Hydrogenperoxid dannes på den beskyttende film. Tilsætning af iodidsalte til elektrolytten kan forhindre dette i at ske og forlænge katalysatorernes levetid betydeligt. Holdet omkring professor Nicolas Plumeré fra Resolv, Dr. Erik Freier fra Leibniz Institute for Analytical Sciences Dortmund og professor Wolfgang Lubitz fra Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim rapporterer sine resultater i Naturkommunikation .

Deaktiveret inden for få sekunder

Biologiske og bioinspirerede katalysatorer er tilgængelige i overflod, og deres katalytiske ydeevne er tæt på ædelmetalkatalysatorer. Alligevel, de er ikke meget brugt til energiomdannelsesprocesser. Årsagen til dette er deres ustabilitet. "Nogle af de mest aktive småmolekylekonverteringskatalysatorer, der er relevante for bæredygtige energisystemer, er så følsomme over for ilt, at de deaktiveres fuldstændigt inden for få sekunder, når de kommer i kontakt med det, " forklarer Nicolas Plumeré.

Forskergruppen havde for nylig opdaget, at redox-aktive film kan beskytte bio-inspirerede og endda biokatalysatorer såsom hydrogenaser mod dette. Teoretiske modeller forudsiger, at beskyttelse mod ilt skal vare på ubestemt tid. I eksperimenter, imidlertid, denne beskyttelse har indtil videre kun været effektiv i et par timer. "Dette er i modstrid med vores teoretiske beregninger og kan ikke forklares, selv i betragtning af den samme katalysators levetid i et iltfrit miljø, " siger Plumeré. Sidstnævnte er op til seks uger med konstant omsætning.

Kombination af metoder udforsker problemet

Dette fik forskerne til at konkludere, at enten er mekanismen til beskyttelse mod ilt endnu ikke forstået, eller at bortset fra deaktivering af ilt, yderligere skadelige processer finder sted. For at undersøge dette, de kombinerede forskellige metoder, der gjorde det muligt for dem at undersøge, hvad der sker i det beskyttede lag i detaljer. Kombinationen af ​​konfokal fluorescensmikroskopi og sammenhængende anti-Stokes Raman spredning udført i laboratoriet af Erik Freier, med elektrokemi til analyse af den beskyttende matrix viste:Den beskyttende proces fører til en ophobning af hydrogenperoxid, som fremmer beskadigelse af den katalytiske film.

Forskerne viser, at nedbrydning af hydrogenperoxid med iodidsalte øger halveringstiden for en hydrogenase til hydrogenoxidation til op til en uge ved konstant omsætning, selv ved konstant udsættelse for høje iltkoncentrationer. "Samlet set, vores data bekræfter teorien om, at redoxfilm gør iltfølsomme katalysatorer fuldstændig immune over for direkte deaktivering af ilt, " slutter Plumeré. "Men, det er meget vigtigt også at undertrykke produktionen af ​​hydrogenperoxid for at opnå fuldstændig beskyttelse mod oxidativ stress."

"Vores arbejde viser, at den simple strategi med at tilsætte iodidsalte til elektrolytten kan være tilstrækkelig til at reducere inaktiveringshastigheden af ​​biokatalysatorer betydeligt, " siger forskerne. De mener, at dette vil muliggøre en udbredt implementering af andre elektrokatalytiske processer i virkelige applikationer. Dette inkluderer også energiomdannelsesprocesser såsom solbrændstofgenerering ved reduktion af kuldioxid og elektrosyntese af fine eller basale kemikalier såsom ammoniak.