Ett enzym skulle kunna förverkliga en dröm för energiindustrin:Det kan effektivt producera väte med el och kan även generera el från väte. Enzymet skyddas genom att bädda in det i en polymer. Ett internationellt forskarlag med betydande deltagande av forskare från Technical University of München (TUM) har presenterat systemet i den välrenommerade vetenskapstidskriften Naturkatalys .

Bränsleceller förvandlar väte till elektricitet, medan elektrolysörer använder elektricitet för att dela vatten för att producera väte. Båda behöver den sällsynta och därmed dyra ädelmetallen platina som katalysator. Naturen har skapat en annan lösning:enzymer, kallas hydrogenaser. De katalyserar omvandlingen av väte mycket snabbt och nästan utan energiförlust.

Dock, tidigare ansågs dessa biokatalysatorer inte vara lämpliga för industriell användning på grund av deras höga känslighet för syre. Nu ett forskarlag från Tekniska universitetet i München (TUM), Ruhr-Universität Bochum (RUB), det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS) i Marseille och Max-Planck Institute for Chemical Energy Conversion har lyckats bädda in de känsliga enzymerna i en skyddande polymer på ett sätt som gör dem livskraftiga för användning vid teknisk väteomvandling.

Hållbarhet kontra aktivitet

"När de känsliga hydrogenaserna är inbäddade i lämpliga polymerer fortsätter de att arbeta i flera veckor, även i närvaro av syre, säger Nicolas Plumeré, Professor i elektrobioteknik vid TUM Campus Straubing för bioteknik och hållbarhet. "Utan detta skydd förlorar de sin aktivitet inom några minuter."

Att bädda in hydrogenaserna i polymerer vars sidokedjor kan överföra elektroner, kallas redoxpolymerer, har ändå två avgörande nackdelar:en hög motståndsnivå motverkar flödet av elektroner genom redoxpolymeren. Detta kräver investeringar av energi som sedan går förlorad i form av värme. Och de inbäddade hydrogenaserna förlorar helt sin förmåga att generera väte.

Finjusteringspotential

Med ett smart urval av de rätta polymersidokedjorna, forskargruppen har nu lyckats ställa in polymerens redoxpotential på ett sådant sätt att endast en liten överspänning behövs för att övervinna motståndet.

Mer detaljerade undersökningar visade sedan att potentialen hos sidokedjorna hade skiftat något till positiva värden på grund av inbäddningen i polymermatrisen. I ett ytterligare försök använde de en sidokedja med motsvarande negativ potential. Detta trick var genombrottet:Hydrogenaset kunde nu katalysera reaktionen i båda riktningarna utan energiförlust.

Biokatalysator för väteomvandling

Genom att använda detta system byggde forskargruppen sedan en bränslecell, där syre reduceras av enzymet bilirubinoxidas från bakterien Myrothecium verrucaria, medan hydrogenaset inbäddat i polymerfilmen oxiderar vätet från bakterien desulfovibrio desulfuricans, genererar el i processen.

Cellen uppnådde ett värde, med en öppen kretsspänning på 1,16 V, den högsta som någonsin uppmätts för ett system av denna typ och nära det termodynamiska maximumet. Med tre milliampere per kvadratcentimeter uppnådde cellen en mycket hög effekttäthet för biologiska celler samtidigt.

Systemet kan också användas för omvänd reaktion, producera väte genom att konsumera elektroner:energiomvandlingseffektiviteten är nära 100 procent, även med effekttätheter på över fyra milliampere per kvadratcentimeter.

Ritning för nya biokatalysatorer

"Minskningen av energiförlusten har två avgörande fördelar, " säger Nicolas Plumeré. "Först, det gör systemet betydligt mer effektivt; andra, värmen som genereras i en bränslecellstack vid höga prestandanivåer skulle utgöra ett problem för biologiska system."

För att göra deras system konkurrenskraftigt med system som använder platinabaserade katalysatorer, teamets pågående forskning är nu inriktad på att förbättra stabiliteten hos hydrogenaserna vid högre effektdensiteter.

Vidare, Fynden kan också överföras till andra högaktiva men känsliga katalysatorer för energiomvandling och elektrosyntes. Direkta mål här är i första hand koldioxidreducerande enzymer som kan använda el för att producera flytande bränslen eller mellanprodukter från koldioxid.