Brandstofcellen die werken met het enzym hydrogenase zijn, in principe, net zo efficiënt als diegene die het dure edelmetaal platina als katalysator bevatten. Echter, de enzymen hebben een waterige omgeving nodig, waardoor het voor het uitgangsmateriaal voor de reactie – waterstof – moeilijk wordt om de met enzymen beladen elektrode te bereiken. Onderzoekers hebben dit probleem opgelost door eerder ontwikkelde concepten voor het verpakken van de enzymen te combineren met gasdiffusie-elektrodetechnologie. Het op deze manier ontwikkelde systeem bereikte aanzienlijk hogere stroomdichtheden dan voorheen met hydrogenase-brandstofcellen.

In het journaal Natuurcommunicatie , een team van het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen aan de Ruhr-Universität Bochum, samen met collega's van het Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion in Mülheim an der Ruhr en de Universiteit van Lissabon, beschrijft hoe ze de elektroden hebben ontwikkeld en getest. Het artikel is op 9 november 2018 gepubliceerd.

Voor- en nadelen van gasdiffusie-elektroden

Gasdiffusie-elektroden kunnen gasvormige grondstoffen voor een chemische reactie efficiënt transporteren naar het elektrode-oppervlak met de katalysator. Ze zijn al getest in verschillende systemen, maar de katalysator was rechtstreeks elektrisch verbonden met het elektrode-oppervlak. "In dit type systeem er kan slechts een enkele laag enzym op de elektrode worden aangebracht, die de stroom van de stroom beperkt, " zegt Bochum-chemicus Dr. Adrian Ruff, een nadeel beschrijven. In aanvulling, de enzymen waren niet beschermd tegen schadelijke omgevingsinvloeden. In het geval van hydrogenase, echter, dit is nodig omdat het onstabiel is in aanwezigheid van zuurstof.

Redox-polymeer als zuurstofbeschermingsschild

In recente jaren, de chemici van het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen in Bochum hebben een redoxpolymeer ontwikkeld waarin ze hydrogenasen kunnen inbedden en ze kunnen beschermen tegen zuurstof. Eerder, echter, ze hadden deze polymeermatrix alleen getest op platte elektroden, niet op poreuze driedimensionale structuren zoals die worden gebruikt in gasdiffusie-elektroden.

"De poreuze structuren bieden een groot oppervlak en maken zo een hoge enzymbelasting mogelijk, " zegt professor Wolfgang Schuhmann, Hoofd van het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen. "Maar het was niet duidelijk of het zuurstofbeschermingsschild op deze constructies zou werken en of het systeem dan nog gasdoorlatend zou zijn."

Aanbrengen van enzymen op elektroden

Een van de problemen met het fabricageproces is dat de elektroden hydrofoob zijn, d.w.z. waterafstotend, terwijl de enzymen hydrofiel zijn, d.w.z. watervriendelijk. De twee oppervlakken hebben daarom de neiging elkaar af te stoten. Om deze reden, de onderzoekers brachten eerst een hechtende maar elektronenoverdragende laag aan op het elektrodeoppervlak, waarop ze vervolgens in een tweede stap de polymeermatrix met het enzym aanbrachten. "We hebben specifiek een polymeermatrix gesynthetiseerd met een optimale balans tussen hydrofiele en hydrofobe eigenschappen, " legt Adrian Ruff uit. "Dit was de enige manier om stabiele films te krijgen met een goede katalysatorbelading."

De op deze manier geconstrueerde elektroden waren nog gasdoorlatend. De tests toonden ook aan dat de polymeermatrix ook functioneert als een zuurstofscherm voor poreuze driedimensionale elektroden. Met het systeem bereikten de wetenschappers een stroomdichtheid van acht milliampère per vierkante centimeter. Eerdere bioanoden met polymeer en hydrogenase bereikten slechts één milliampère per vierkante centimeter.

Functionele biobrandstofcel

Het team combineerde de hierboven beschreven bioanode met een biokathode en toonde aan dat op deze manier een functionele brandstofcel kan worden geproduceerd. Het bereikte een vermogensdichtheid tot 3,6 milliwatt per vierkante centimeter en een nullastspanning van 1,13 volt, wat net onder het theoretische maximum van 1,23 volt ligt.