Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw mechanisme ontwikkeld om enzymen te beschermen tegen zuurstof als biokatalysatoren in brandstofcellen. De enzymen, bekend als hydrogenasen, zijn net zo efficiënt als edelmetaalkatalysatoren, maar onstabiel als ze in contact komen met zuurstof. Ze zijn dus nog niet geschikt voor technologische toepassingen. Het nieuwe beschermingsmechanisme is gebaseerd op zuurstofverbruikende enzymen die hun energie uit suiker halen. De onderzoekers toonden aan dat ze met dit beschermingsmechanisme een functionele biobrandstofcel konden maken die werkt met waterstof en glucose als brandstof.

Het team onder leiding van Dr. Adrian Ruff en Professor Wolfgang Schuhmann van het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen aan de Ruhr-Universität Bochum beschrijft de resultaten in het tijdschrift Natuurcommunicatie vanaf 10 september 2018 samen met collega's van het Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion in Mülheim an der Ruhr en de Universiteit van Lissabon.

Het team van het Bochum Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen had in eerdere studies al aangetoond dat hydrogenasen kunnen worden beschermd tegen zuurstof door ze in te bedden in een polymeer. "Echter, dit mechanisme verbruikte elektronen, die de prestaties van de brandstofcel verminderden, " zegt Adrian Ruff. "Bovendien, een deel van de katalysator werd gebruikt om het enzym te beschermen." De wetenschappers zochten daarom naar manieren om het katalytisch actieve systeem los te koppelen van het beschermingsmechanisme.

Enzymen vangen zuurstof op

Met behulp van twee enzymen, ze bouwden een zuurstofverwijderingssysteem rond de stroomproducerende elektrode. Eerst, de onderzoekers bedekten de elektrode met de hydrogenasen, die waren ingebed in een polymeermatrix om ze op hun plaats te fixeren. Vervolgens plaatsten ze een andere polymeermatrix bovenop de hydrogenase, die de onderliggende katalysatorlaag volledig omsloten. Het bevatte twee enzymen die suiker gebruiken om zuurstof in water om te zetten.

Waterstof wordt geoxideerd in de hydrogenase-bevattende laag aan de onderkant. De elektrode absorbeert de elektronen die daarbij vrijkomen. De toplaag verwijdert schadelijke zuurstof.

Functionele brandstofcel gebouwd

Bij verdere experimenten, de groep combineerde de hierboven beschreven bioanoden met biokathoden, die ook gebaseerd zijn op de omzetting van glucose. Op deze manier, het team produceerde een functionele biobrandstofcel. "De goedkope en overvloedige biomassaglucose is niet alleen de brandstof voor het beschermingssysteem, maar drijft ook de biokathode aan en genereert zo een stroom in de cel, " vat Wolfgang Schuhmann samen, hoofd van het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen en lid van het excellentiecluster Ruhr Explores Solvation. De cel had een nullastspanning van 1,15 volt - de hoogste waarde die ooit is bereikt voor een cel met een op polymeer gebaseerde bioanode.

"We gaan ervan uit dat het principe achter dit beschermende schildmechanisme kan worden overgedragen op elke gevoelige katalysator als het juiste enzym wordt geselecteerd dat de overeenkomstige onderscheppingsreactie kan katalyseren, ", zegt Wolfgang Schuhmann.