Iodidsalze machen Biokatalysatoren für Brennstoffzellen stabil

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

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.

Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, Resolv (EXC-2033 – Projektnummer 390677874), und des Projekts Shields (PL 746/2-1) und vom European Research Council im Rahmen des Starting Grant 715900. Weitere Unterstützung kam von der Max-Planck-Gesellschaft, vom China Scholarship Council sowie vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen, dem Regierenden Bürgermeister von Berlin – inklusive Wissenschaft und Forschung und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie vom Leibniz-Research-Cluster (031A360E).

Ruhr-Universität Bochum

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