Ett internationellt team av forskare har utvecklat en ny mekanism för att skydda enzymer från syre som biokatalysatorer i bränsleceller. Enzymerna, känd som hydrogenaser, är lika effektiva som ädelmetallkatalysatorer, men instabila när de kommer i kontakt med syre. De är därför ännu inte lämpliga för tekniska tillämpningar. Den nya skyddsmekanismen är baserad på syreförbrukande enzymer som hämtar sin energi från socker. Forskarna visade att de kunde använda denna skyddsmekanism för att producera en funktionell biobränslecell som arbetar med väte och glukos som bränsle.

Teamet som leds av Dr Adrian Ruff och professor Wolfgang Schuhmann från Centre for Electrochemical Sciences vid Ruhr-Universität Bochum beskriver resultaten i tidskriften Naturkommunikation från 10 september 2018 tillsammans med kollegor från Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr och universitetet i Lissabon.

Teamet från Bochum Center for Electrochemical Sciences hade redan i tidigare studier visat att hydrogenaser kan skyddas från syre genom att bädda in dem i en polymer. "Dock, denna mekanism förbrukade elektroner, vilket minskade bränslecellens prestanda, " säger Adrian Ruff. "Dessutom, en del av katalysatorn användes för att skydda enzymet." Forskarna letade därför efter sätt att frikoppla det katalytiskt aktiva systemet från skyddsmekanismen.

Enzymer fångar syre

Med hjälp av två enzymer, de byggde ett system för avlägsnande av syre runt den strömproducerande elektroden. Först, forskarna belade elektroden med hydrogenaserna, som var inbäddade i en polymermatris för att fixera dem på plats. De placerade sedan en annan polymermatris ovanpå hydrogenaset, som helt inneslutit det underliggande katalysatorskiktet. Den innehöll två enzymer som använder socker för att omvandla syre till vatten.

Väte oxideras i det hydrogenashaltiga skiktet i botten. Elektroden absorberar de elektroner som frigörs i processen. Det översta lagret tar bort skadligt syre.

Funktionell bränslecell byggd

I ytterligare experiment, gruppen kombinerade de ovan beskrivna bioanoderna med biokatoder, som också baseras på omvandlingen av glukos. På det här sättet, teamet producerade en funktionell biobränslecell. "Den billiga och rikliga biomassaglukosen är inte bara bränslet för skyddssystemet, men driver också biokatoden och genererar därmed ett strömflöde i cellen, sammanfattar Wolfgang Schuhmann, chef för Centrum för elektrokemiska vetenskaper och medlem av spetsforskningsklustret Ruhr Explores Solvation. Cellen hade en öppen kretsspänning på 1,15 volt – det högsta värdet som någonsin uppnåtts för en cell innehållande en polymerbaserad bioanod.

"Vi antar att principen bakom denna skyddande sköldmekanism kan överföras till vilken känslig katalysator som helst om det lämpliga enzymet väljs som kan katalysera motsvarande avlyssningsreaktion, säger Wolfgang Schuhmann.