Chemie Wie man Biokatalysatoren unsterblich macht
Sauerstoff bedroht nachhaltige Katalysatoren, die Wasserstoff in Brennstoffzellen umwandeln. Forscher aus Bochum und Marseille haben ein Mittel dagegen entwickelt.
Effiziente Katalysatoren für die Umwandlung von Wasserstoff in Brennstoffzellen und andere Stoffe für die Energiewende basieren oft auf teuren und seltenen Metallen wie Platin. Der Einsatz günstigerer Metalle und biologischer Komponenten, die ebenso effizient funktionieren, brachte bislang eine verkürzte Lebensdauer der Katalysatoren mit sich, weil sie empfindlich gegen Sauerstoff sind. Einem Forschungsteam aus Bochum und Marseille ist es gelungen, einen solchen Katalysator mit einem extrem dünnen Schutzfilm aus molekularen Bausteinen auszustatten, der ihn vor Sauerstoff abschirmt und seine Lebensdauer damit praktisch unendlich macht. Dabei arbeitet der Katalysator trotzdem effizient. Das Team berichtet im Journal of the American Chemical Society vom 16. September 2019.
Die Forscherinnen und Forscher um Prof. Dr. Nicolas Plumeré vom Exzellenzcluster Ruhr explores solvation, kurz Resolv, an der RUB arbeiteten in dieser Studie zusammen mit Dr. Vincent Fourmond und Dr. Christophe Léger vom Centre national de la recherche scientifique Marseille.
Dicke Schichten taugen in der Praxis nicht
Die Teams arbeiten seit Längerem daran, effiziente Biokatalysatoren, die sauerstoffempfindliche Hydrogenasen enthalten, langlebiger zu machen. „Vor etwa fünf Jahren haben wir einen Selbstverteidigungsmechanismus entwickelt, der auf einem leitfähigen Polymerfilm basiert“, erklärt Nicolas Plumeré. „Für die Praxis waren die Katalysatoren aber nicht zu gebrauchen. Die Polymerfilme waren mit über 100 Mikrometern so dick, dass sie die Effizienz behindert haben.“ In der aktuellen Arbeit zeigen die Forscher, dass die Hydrogenasen auch in einem viel dünneren Polymerfilm sicher vor Sauerstoff sind.
Definierte Schutzschicht aus winzigen Kugeln
Kern der neuen Entwicklung sind die Bausteine, aus denen der Schutzfilm aufgebaut ist. Die Forscher nutzen dafür winzige Kugeln mit nur fünf Nanometern Durchmesser, die alle identisch aufgebaut sind, sogenannte Dendrimere. So konnten sie die Dicke der entstehenden Schicht genau kontrollieren.
22.000 Jahre effiziente Katalyse
Die Forscher waren überrascht zu beobachten, dass die Dicke des Schutzfilms sich erheblich auf die Lebensdauer des Katalysators auswirkt: In einem drei Mikrometer dünnen Film überlebt ein Katalysator in Anwesenheit von Sauerstoff nur rund zehn Minuten. Wenn der Film sechs Mikrometer dick ist, verlängert sich die Lebensdauer unter denselben Bedingungen auf bis zu ein Jahr. „Weitere zwei Mikrometer Dicke zusätzlich verlängern das Leben des Katalysators theoretisch auf 22.000 Jahre“, stellen die Forscher erstaunt fest.
„Diese extreme Langlebigkeit bringt uns einen weiteren Schritt näher an den Einsatz solcher sauerstoffempfindlichen Biokatalysatoren in Brennstoffzellen“, so das Forschungsteam.
