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SolarBioproducts Ruhr untersucht neue Trends in der Wasserstoffforschung mit Partnern aus Oxford

SolarBioproducts Ruhr untersucht neue Trends in der Wasserstoffforschung mit Partnern aus Oxford

Für eine nachhaltige Wasserstoffstrategie werden seltene Platinkatalysatoren benötigt. Aufgrund des begrenzten Vorkommens auf der Erde entwickelte SolarBioproducts Ruhr (Sbp) eine innovative Lösung, welche stattdessen Biokatalysatoren nutzt. Am 10. August 2020 wurden die Erkenntnisse der Forschung in der internationalen Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht.

Interessante Biokatalysatoren könnten bald Platin in Brennstoffzellen ablösen

Im Zuge einer nachhaltigen Wasserstoffstrategie sind Technologien wie etwa Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseure in den Fokus der Forschung und Entwicklung gerückt. Hier wird destilliertes Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Allerdings ist die Herstellung einer solchen Brennstoffzelle mit hohen Kosten verbunden, da der katalytische Umsatz zu Wasserstoff von teuren und seltenen Platinkatalysatoren durchgeführt wird. Doch wo soll auf Dauer das ganze Platin herkommen, ist doch das Vorkommen auf der Erde stark begrenzt. Hierzu arbeitet Sbp an einer innovativen Lösung.

Sbp wirkt an hochrangiger Veröffentlichung zum Thema Wasserstoff mit

Sbp forscht derzeit an der Entwicklung und Machbarkeit einer biobasierten Brennstoffzelle, kurz Biobrennstoffzelle. Im Fokus stehen komplexe Biomoleküle aus der Natur, sogenannte Hydrogenasen, welche in Grünalgen und Bakterien vorkommen und Wasserstoff mithilfe eines eisenhaltigen Kofaktors umsetzen. In Zukunft könnten sie Platin als Alternativkatalysator in einer Brennstoffzelle ersetzen, da sie Wasserstoff mit einer ebenso hohen Effizienz umsetzen. Dafür benötigen sie aber lediglich Eisen anstelle von teuren Edelmetallen. Bis es zu einer potenziellen Anwendung kommt, müssen diese Biokatalysatoren jedoch bis ins kleinste Detail verstanden werden, um sie für einen industriellen Einsatz robust und effizient genug zu machen.

Dabei gelang es Sbp in fachübergreifender Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum und Experten der University of Oxford, den grundlegenden Reaktionsmechanismus des Biokatalysators weiter zu erforschen. Genau wie Platinkatalysatoren benötigen [FeFe]-Hydrogenasen für den reversiblen Wasserstoffumsatz zwei Protonen und zwei Elektronen. Für diese Arbeit wählten die Forscher eine Kombination aus Protein Engineering und dynamischer Elektrochemie. „Während das Protein Engineering gezielt die strukturelle und funktionelle Manipulation des Enzyms erlaubt, können durch dynamische Elektrochemie Reaktionskinetiken detailliert untersucht werden“, erklärt Dr. Christina Marx, Projektleiterin von Sbp.

Auf einen gekoppelten Langstrecken-Mechanismus kommt es an

Das Forscherteam manipulierte die Hydrogenasen so, dass der Protonentransfer deutlich langsamer wurde. Die anschließenden elektrochemischen Untersuchungen zeigten dann, dass der Wasserstoffumsatz deutlich abnahm und außerdem signifikante Überspannungen nötig waren, um die Produktion oder Zerlegung von Wasserstoff zu katalysieren. Dabei signalisieren die plötzlich auftretenden Überspannungen eine deutlich verminderte Effizienz des Biokatalysators. Letztendlich hatten die Forscherinnen und Forscher durch Manipulation des Protonentransferpfades indirekt die Rate des Elektrontransfers vermindert. „Da die zwei Transferwege räumlich voneinander getrennt sind, gehen wir davon aus, dass eine kooperative Langstreckenkopplung beider Prozesse elementar für eine effiziente Katalyse ist“, resümiert Dr. Oliver Lampret, Erstautor der Studie. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“, kurz PNAS, veröffentlicht. Der Artikel ist am 10. August 2020 online erschienen. Die Erkenntnisse sollen dazu beitragen, in Zukunft effizientere miniaturisierte Hydrogenasen-Katalysatoren für den Einsatz in Biobrennstoffzellen zu entwickeln.

Sbp unterstreicht damit seine vielseitige wissenschaftliche Expertise für eine Nachhaltigkeitsstrategie, welche am Standort Herne fokussiert wird und zur nachhaltigen Agenda 2030 der internationalen Staatengemeinschaft beitragen soll. Einen wichtigen Beitrag zur Internationalisierung mit exzellenten Partnern aus der Wissenschaft, leistet auch die seit über 10 Jahren existierende Forschungskooperation mit Prof. Armstrong aus Oxford, England.

Originalveröffentlichung:

Oliver Lampret, Jifu Duan, Eckhard Hofmann, Martin Winkler, Fraser A. Armstrong, Thomas Happe. The roles of long-range proton coupled electron transfer in the directionality and efficiency of [FeFe]-hydrogenases, in: PNAS, 2020, DOI: 10.1073/pnas.2007090117

Aufbau einer Biobrennstoffzelle. An der Bioanode wird grüner Wasserstoff mithilfe eines Biokatalysators, der sogenannten Hydrogenase, umgesetzt. Diese arbeitet so effizient wie Platin und erzeugt so durch die Spaltung von Wasserstoff elektrischen Strom.

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