q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Iodidsalze machen Biokatalysatoren für Brennstoffzellen stabil

© RUB, Marquard

Alaa Oughli, Darren Buesen, Nicolas Plumeré (von links) wollen Biokatalysatoren langlebiger machen.

18.02.2020: Sauerstoff ist der größte Feind von Biokatalysatoren für die Energieumwandlung. Ein Schutzfilm schirmt sie ab – aber nur mit einer weiteren Zutat: Iodidsalz.

Entgegen theoretischen Vorhersagen inaktiviert Sauerstoff Biokatalysatoren für die Energieumwandlung auch unter einem Schutzfilm binnen kurzer Zeit. Ein Forschungsteam des Exzellenzclusters Resolv an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat herausgefunden warum: Es bildet sich Wasserstoffperoxid am Schutzfilm. Die Zugabe von Iodidsalzen zum Elektrolyten kann das verhindern und die Lebensdauer der Katalysatoren erheblich verlängern. Das Team um Prof. Dr. Nicolas Plumeré von Resolv, Dr. Erik Freier vom Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften Dortmund und Prof. Dr. Wolfgang Lubitz vom Max-Planck-Institut für chemische Energieumwandlung in Mülheim berichtet in Nature Communications vom 14. Februar 2020.

Binnen Sekunden deaktiviert

Biologische und bio-inspirierte Katalysatoren sind im Überfluss vorhanden, und ihre katalytische Leistung kommt der von Edelmetallkatalysatoren nahe. Trotzdem werden sie nicht flächendeckend für Energieumwandlungsprozesse eingesetzt. Der Grund dafür ist ihre Instabilität. „Einige der aktivsten Katalysatoren für die Umwandlung kleiner Moleküle, die für nachhaltige Energiesysteme relevant sind, sind gegenüber Sauerstoff so empfindlich, dass sie binnen Sekunden vollständig deaktiviert werden, wenn sie damit in Kontakt kommen“, erklärt Nicolas Plumeré.

Unendlicher Schutz – bisher nur in der Theorie

Vor Kurzem hatte die Arbeitsgruppe entdeckt, dass redoxaktive Filme bioinspirierte und sogar Biokatalysatoren wie Hydrogenasen davor schützen können. Theoretische Modelle sagen voraus, dass der Schutz vor Sauerstoff unendlich lange anhalten sollte. In Experimenten wirkt dieser Schutz jedoch bisher nur wenige Stunden. „Das steht im Widerspruch zu unseren theoretischen Berechnungen und lässt sich auch angesichts der Lebensdauer desselben Katalysators in einer sauerstofffreien Umgebung nicht erklären“, so Plumeré. Letztere beträgt bei konstantem Umsatz bis zu sechs Wochen.

Kombination von Methoden geht dem Problem auf den Grund

Die Forscher schlossen daraus, dass entweder der Mechanismus für den Schutz vor Sauerstoff noch nicht verstanden ist oder dass neben der Deaktivierung durch Sauerstoff zusätzliche schädliche Prozesse stattfinden. Um dem nachzugehen, kombinierten sie verschiedene Methoden, die es ihnen erlaubten, genau zu untersuchen, was in der schützenden Schicht passiert. Die Kombination von konfokaler Fluoreszenzmikroskopie und kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung, die im Labor von Erik Freier durchgeführt wurden, mit Elektrochemie für die Analyse der Schutzmatrix zeigten: Der Schutzprozess führt zu einer Ansammlung von Wasserstoffperoxid, die eine Schädigung des katalytischen Films fördert.

Wasserstoffperoxidbildung unterdrücken

Das Forschungsteam konnte nachweisen, dass die Aufspaltung von Wasserstoffperoxid mithilfe von Iodidsalzen die Halbwertszeit einer Hydrogenase für die Wasserstoffoxidation bei konstantem Umsatz auf bis zu eine Woche erhöht, selbst wenn konstant hohe Sauerstoffkonzentrationen darauf einwirken. „Insgesamt bestätigen unsere Daten die Theorie, dass Redox-Filme sauerstoffempfindliche Katalysatoren völlig immun gegen die direkte Deaktivierung durch Sauerstoff machen“, fasst Plumeré zusammen. „Es ist aber sehr wichtig, auch die Wasserstoffperoxid-Produktion zu unterdrücken, um einen vollständigen Schutz vor oxidativem Stress zu erreichen.“

„Unsere Arbeit zeigt, dass die einfache Strategie der Zugabe von Iodidsalzen zum Elektrolyten ausreichen kann, um die Inaktivierungsraten von Biokatalysatoren deutlich zu senken“, so die Forscher. Das ermöglicht nach ihrer Einschätzung die flächendeckende Umsetzung anderer elektrokatalytischer Prozesse in realen Anwendungen. Dazu gehören auch Energieumwandlungsprozesse wie die solare Brennstofferzeugung durch Kohlendioxidreduktion und die Elektrosynthese von Fein- oder Grundchemikalien wie Ammoniak.

Originalveröffentlichung:
Huaiguang Li, Ute Münchberg, Alaa A. Oughli, Darren Buesen, Wolfgang Lubitz, Erik Freier, Nicolas Plumeré; "Suppressing hydrogen peroxide generation to achieve oxygen-insensitivity of a [NiFe] hydrogenase in redox active films"; Nature Communications; 2020

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über Ruhr-Universität Bochum

  • News

    Proteine in ihrer natürlichen Umgebung beobachten

    Proteine können dafür verantwortlich sein, dass Wirkstoffe von Medikamenten aus den Zielzellen einfach wieder herausgeschleust werden. Dabei kann man ihnen jetzt zuschauen. Bestimme Medikamente, zum Beispiel gegen Krebserkrankungen, verlieren ihre Wirkung, weil Proteine in der Membran der Z ... mehr

    Wie genau Cyanobakterien CO2 so effizient umwandeln

    Ein Forschungsteam konnte das Geheimnis der Bakterien lüften. Künftig wird es so möglich, bei ihnen abzuschauen. Fotosynthetische Organismen nutzen mithilfe von Sonnenlicht Kohlenstoffdioxid aus der Luft zum Aufbau von Biomasse. Cyanobakterien sind dabei besonders effizient, weil sie das Ga ... mehr

    Neue Erkenntnisse über die Recyclingfabriken der Zellen

    Wie kleine Müllschlucker säubern Organellen die Zellen von überflüssigem oder defektem Material. Welche Mechanismen dahinterstecken, finden Forscher gerade heraus. Die Zellen sowohl von Tieren als auch von Pflanzen sind darauf angewiesen, dass sie von ihrem eigenen beschädigten oder überflü ... mehr

  • q&more Artikel

    Mit Licht und Strom dem Schicksal einzelner Nanopartikel auf der Spur

    Die Kombination aus Dunkelfeldmikroskopie und Elektrochemie macht einzelne Nanopartikel in flüssigem Medium sichtbar. Hiermit kann die Aktivität von Katalysatoren während ihrer Anwendung ermittelt werden. mehr

    Vibrationsspektroskopie - Labelfreies Imaging

    Spektroskopische Methoden erlauben heute mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung tiefe Einblicke in die Funktionsweise biologischer Systeme. Neben der bereits sehr gut etablierten Fluoreszenzspektroskopie wird in den letzten Jahren das große Potenzial der labelfreien Vib ... mehr

  • Autoren

    Kevin Wonner

    Kevin Wonner, Jahrgang 1995, studierte Chemie mit dem Schwerpunkt der elektrochemischen Untersuchung von Nanopartikeln an der Ruhr-Universität Bochum und ist seit 2018 Doktorand am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik im Rahmen des Graduiertenkollegs 2376. Er ... mehr

    Mathies V. Evers

    Mathies Evers, Jahrgang 1989, studierte Chemie an der Ruhr-Universität Bochum, wo er an der Synthese atompräziser molekularer Cluster forschte. Nach seinem Masterabschluss begann er seine Doktorarbeit am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik und wird durch den ... mehr

    Prof. Dr. Kristina Tschulik

    Kristina Tschulik promovierte im Jahr 2012 an der TU Dresden und arbeitete als Postdoktorandin am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden sowie an der Universität Oxford. Danach baute sie gefördert durch ein NRW-Rückkehrprogramm die Arbeitsgruppe für „Elektrochemie u ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.