Chemie Bioelektrokatalyse als Basis für die Energiewende
Die Forschung ist heute bereits weit, aber noch stehen dem Durchbruch einige Hindernisse im Wege.
Biokatalysatoren sind Hoffnungsträger für den Umstieg auf erneuerbare Energien. Doch was im Labor funktioniert, bedeutet nicht unbedingt schon den Durchbruch für die Praxis: Ein Forschungsteam des Zentrums für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) diskutiert zu überwindende Hürden in der Zeitschrift Nature Catalysis vom 25. November 2019 anhand zweier Hauptforschungsfelder: der Entwicklung von Bioelektroden für die Wasserstoffoxidation für Biobrennstoffzellen sowie der Entwicklung von effizienten Biofotoelektroden zur solargestützten Synthese von Chemikalien und regenerierbaren Brennstoffen.
Enzyme als Katalysatoren
Die Effektivität und Selektivität biologischer Katalysatoren wurden von der Natur über Millionen von Jahren stetig optimiert. Eine besondere Klasse dieser Enzyme sind die Redoxproteine, die nicht nur rein chemische, sondern an Elektronentransfer gekoppelte Reaktionen katalysieren. „Hier ist die Analogie zu Reaktionen, wie sie auch in industriellen elektrokatalytischen Prozessen wie der Wasserstoffoxidation oder Sauerstoffreduktion an Edelmetallen in Brennstoffzellen genutzt werden, von großer Bedeutung“, so Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der RUB. Eine weitere wichtige Klasse sind lichtaktive Enzyme, die ähnlich wie Halbleitermaterialien durch Lichteinstrahlung aktiviert werden und einen Elektronenfluss erzeugen können. Besonders bedeutend ist, dass solche Enzyme aktive Zentren enthalten, die, im Gegensatz zu Katalysatoren auf Edelmetallbasis und rein anorganischen Halbleitermaterialien, aus Elementen aufgebaut sind, die in der Natur reichlich vorhanden sind.
Bisher nur wenige Anwendungen
Diese Eigenschaften machen solche biologischen Systeme zu vielversprechenden Modellverbindungen oder sogar zu Alternativen für zukünftige Katalysator- und Halbleitertechnologien. „Allerdings konnten bis heute nur wenige spezifische elektrokatalytische Anwendungen durch bioelektrokatalytische Ansätze umgesetzt werden“, so Wolfgang Schuhmann. Grenzen setzen solchen Verfahren zum einen die Eigenschaften der Enzyme selbst und zum anderen die Verwendung spezieller und komplexer Elektrodenarchitekturen, die für die Entwicklung von leistungsstarken und somit konkurrenzfähigen Prozessen nötig sind.
Im dem Übersichtsartikel diskutiert das Team der RUB anhand von zwei Hauptforschungsfeldern die für eine technologische Nutzung zu überwindenden Limitierungen und Hürden: für die Entwicklung von auf Hydrogenasen basierenden Bioelektroden für die Wasserstoffoxidation und von effizienten Biofotoelektroden, basierend auf den Proteinkomplexen aus der Photosynthese, Photosystem I und II, sowie bakteriellen fotoaktiven Zentren.
Enzyme immobilisieren und schützen
Was den Aufbau und das Design von Bioelektroden angeht, kommt es vor allem auf die elektrische Anbindung der Enzyme an die Elektrodenoberfläche an. Die Autoren beschreiben, wie gezielt synthetisierte Redoxpolymere die Enzyme nicht nur immobilisieren und elektrisch anbinden, sondern auch vor schädlichen Substanzen wie Sauerstoff schützen können.
Außerdem stellt das Team Ansätze vor, die einen Einsatz in Prozessen auf großer Skala erlauben. „Hier richten wir unser besonderes Augenmerk auf die Möglichkeiten synthetischer Enzyme, die als großer Schritt in Richtung potenzieller Anwendungen gelten“, so Dr. Adrian Ruff vom Projektteam. Auch technische Ansätze, wie beispielsweise die Einführung von speziellen Elektrodenmaterialien, die Verwendung von Gasdiffusionselektroden zur Erhöhung des Massentransports oder von speziellen Immobilisierungsmethoden wie die gerichtete Anbindung von fotoaktiven Enzymen mittels der Langmuir-Blodgett-Technik werden diskutiert.
