Syre är biokatalysatorernas största fiende för energiomvandling. En skyddande film skyddar dem - men bara med en extra ingrediens:jodsalt.

I motsats till teoretiska förutsägelser, syre inaktiverar biokatalysatorer för energiomvandling inom kort tid, även under en skyddsfilm. En forskargrupp från Resolv Cluster of Excellence vid Ruhr Universität Bochum (RUB) har tagit reda på varför:Väteperoxid bildas på den skyddande filmen. Tillsatsen av jodidsalter till elektrolyten kan förhindra detta och förlänga livslängden avsevärt för katalysatorerna. Teamet runt professor Nicolas Plumeré från Resolv, Dr Erik Freier från Leibniz Institute for Analytical Sciences Dortmund och professor Wolfgang Lubitz från Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim rapporterar sina resultat i Naturkommunikation .

Inaktiverad inom några sekunder

Biologiska och bioinspirerade katalysatorer finns i överflöd och deras katalytiska prestanda ligger nära den hos ädelmetallkatalysatorer. Ändå, de används inte i stor utsträckning för energiomvandlingsprocesser. Anledningen till detta är deras instabilitet. "Några av de mest aktiva småmolekylära omvandlingskatalysatorerna som är relevanta för hållbara energisystem är så känsliga för syre att de avaktiveras helt inom några sekunder när de kommer i kontakt med det, " förklarar Nicolas Plumeré.

Forskargruppen hade nyligen upptäckt att redoxaktiva filmer kan skydda bioinspirerade och till och med biokatalysatorer som hydrogenaser mot detta. Teoretiska modeller förutspår att skyddet mot syre bör vara på obestämd tid. I experiment, dock, detta skydd har hittills bara varit effektivt i några timmar. "Detta motsäger våra teoretiska beräkningar och kan inte förklaras, även med tanke på livslängden för samma katalysator i en syrefri miljö, säger Plumeré. Den senare är upp till sex veckor med konstant omsättning.

Kombination av metoder utforskar problemet

Detta fick forskarna att dra slutsatsen att antingen mekanismen för skydd mot syre ännu inte är förstått, eller att förutom deaktivering av syre, ytterligare skadliga processer äger rum. För att undersöka detta, de kombinerade olika metoder som gjorde att de kunde undersöka vad som händer i det skyddade lagret i detalj. Kombinationen av konfokal fluorescensmikroskopi och koherent anti-Stokes Raman-spridning utförd i laboratoriet av Erik Freier, med elektrokemi för analys av skyddsmatrisen visade:Skyddsprocessen leder till en ansamling av väteperoxid, vilket främjar skada på den katalytiska filmen.

Forskarna visar att nedbrytningen av väteperoxid med jodidsalter ökar halveringstiden för ett hydrogenas för väteoxidation till upp till en vecka vid konstant omsättning, även vid konstant exponering för höga syrekoncentrationer. "Övergripande, våra data bekräftar teorin att redoxfilmer gör syrekänsliga katalysatorer helt immuna mot direkt deaktivering av syre, " avslutar Plumeré. "Men, Det är mycket viktigt att även undertrycka produktionen av väteperoxid för att uppnå ett fullständigt skydd mot oxidativ stress."

"Vårt arbete visar att den enkla strategin att tillsätta jodidsalter till elektrolyten kan vara tillräcklig för att avsevärt minska inaktiveringshastigheten för biokatalysatorer, " säger forskarna. De tror att detta kommer att möjliggöra en utbredd implementering av andra elektrokatalytiska processer i verkliga applikationer. Detta inkluderar också energiomvandlingsprocesser såsom solbränslegenerering genom koldioxidreduktion och elektrosyntes av fina eller grundläggande kemikalier som ammoniak.