Forskare vid Ruhr-Universität Bochum (RUB) har utvecklat nya tekniker för att effektivt koppla bakteriella enzymer till elektroder. Tillsammans med ett team från University of Utah, de realiserade ett system för ammoniaksyntes baserat på ett nitrogenasenzym. De designade också en väte/syre-biobränslecell baserad på ett hydrogenasenzym tillsammans med ett team från Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion. Båda artiklarna har publicerats i tidskriften Angewandte Chemie i maj och juni 2020.

Kraftfulla enzymer kräver speciella förhållanden

Många enzymer som förekommer i naturen är kraftfulla katalysatorer, såsom de så kallade [FeFe]-hydrogenaserna. Hydrogenaser används av bakterier för att producera väte, medan nitrogenaser lyckas aktivera den starkaste bindningen i naturen i kväve (N2). Båda enzymerna är mycket känsliga för syre, men använder lättillgängliga oädla metaller i sina aktiva centra. Således kunde de en dag ersätta dyra ädelmetallkatalysatorer. "Att använda så mycket känsliga katalysatorer för biobränsleceller är fortfarande en av de största utmaningarna inom hållbar energiomvandling, säger professor Wolfgang Schuhmann, chef för RUB Center for Electrochemistry och medlem av cluster of excellence "Ruhr Explores Solvation, "Lösa.

Biobränslecell realiserad med enzym

I samarbete med teamet av professor Wolfgang Lubitz från Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr, Bochumgruppen visade under vilka omständigheter detta ändå är möjligt. De använde ett så kallat [FeFe]-hydrogenas från bakterien Desulfovibrio desulfuricans. Även om detta är en mycket effektiv katalysator, den måste skyddas i bränslecellen från det syre som krävs för drift vid den andra elektroden.

I det här arbetet, forskarna integrerade [FeFe]-hydrogenaset för första gången i en biobränslecell som drivs med så kallade gasdiffusionselektroder. I den här cellen, väte och syre transporteras till enzymerna genom ett membran. Teamet bäddade in enzymet i en matris bestående av en så kallad redoxpolymer, som fixerar enzymet till den gaspermeabla elektrodytan, skyddar enzymet från de skadliga effekterna av syre och upprättar även elektrisk kontakt mellan enzymet och elektroden. Med denna design, bränslecellen uppnådde tidigare ej uppnådda höga strömtätheter på 14 milliampere per kvadratcentimeter och höga effekttätheter på 5,4 milliwatt per kvadratcentimeter.

Biobaserad process för ammoniakproduktion

I det andra projektet, forskargruppen vid RUB, tillsammans med den amerikanska gruppen ledd av professor Shelley Minteer från University of Salt-Lake City, letade efter ett bioelektrosyntetiskt alternativ för ammoniaksyntes. Inom den kemiska industrin, ammoniak framställs vanligen med Haber-Bosch-processen vid hög temperatur och högt tryck och med en betydande utsläpp av CO ₂ .

Vissa bakterier har enzymer, kallade nitrogenaser, med vilken de fixerar molekylärt kväve (N2) och kan metabolisera det vid rumstemperatur och utan ökat tryck. Dock, i levande organismer förbrukar detta mycket energi i form av energilagringsmolekylerna ATP.

Forskargruppen visade att det är möjligt att koppla nitrogenaset från bakterien Azotobacter vinelandii med en elektrod genom vilken de nödvändiga elektronerna för reaktionen kan tillföras, så att ingen ATP krävs. Ännu en gång, nyckeln till framgång var en redoxpolymer som hjälpte till att etablera en stabil och effektiv elektrisk kontakt mellan elektroden och nitrogenas/redoxpolymerkompositen. "Så vitt vi vet, fixering och kontakt av nitrogenaser i redoxpolymerer är det första steget för att göra nitrogenaser användbara för bioelektrosyntes, " skriver författarna till studien.