Zuurstof is de grootste vijand van biokatalysatoren voor energieconversie. Een beschermende film schermt ze af, maar alleen met een extra ingrediënt:jodidezout.

In tegenstelling tot theoretische voorspellingen, zuurstof inactiveert binnen korte tijd biokatalysatoren voor energieomzetting, zelfs onder een beschermfolie. Een onderzoeksteam van het Resolv Cluster of Excellence aan de Ruhr Universität Bochum (RUB) heeft ontdekt waarom:waterstofperoxide vormt zich op de beschermende film. De toevoeging van jodidezouten aan de elektrolyt kan dit voorkomen en de levensduur van de katalysatoren aanzienlijk verlengen. Het team rond Professor Nicolas Plumeré van Resolv, Dr. Erik Freier van het Leibniz Institute for Analytical Sciences Dortmund en professor Wolfgang Lubitz van het Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion in Mülheim rapporteren zijn bevindingen in Natuurcommunicatie .

Binnen enkele seconden gedeactiveerd

Biologische en bio-geïnspireerde katalysatoren zijn in overvloed beschikbaar en hun katalytische prestaties liggen dicht bij die van edelmetaalkatalysatoren. Hoe dan ook, ze worden niet veel gebruikt voor energieconversieprocessen. De reden hiervoor is hun instabiliteit. "Sommige van de meest actieve conversiekatalysatoren met kleine moleculen die relevant zijn voor duurzame energiesystemen zijn zo gevoelig voor zuurstof dat ze binnen enkele seconden volledig worden gedeactiveerd wanneer ze ermee in contact komen, ", legt Nicolas Plumeré uit.

De onderzoeksgroep had onlangs ontdekt dat redox-actieve films bio-geïnspireerde en zelfs biokatalysatoren zoals hydrogenasen hiertegen kunnen beschermen. Theoretische modellen voorspellen dat bescherming tegen zuurstof voor onbepaalde tijd zou moeten duren. Bij experimenten, echter, deze bescherming is tot nu toe slechts enkele uren effectief geweest. "Dit is in tegenspraak met onze theoretische berekeningen en kan niet worden verklaard, zelfs met het oog op de levensduur van dezelfde katalysator in een zuurstofvrije omgeving, " zegt Plumeré. Dat laatste is tot zes weken met een constante omzet.

Combinatie van methoden onderzoekt het probleem

Dit bracht de onderzoekers tot de conclusie dat ofwel het mechanisme voor bescherming tegen zuurstof nog niet is begrepen, of dat afgezien van deactivering door zuurstof, aanvullende schadelijke processen plaatsvinden. Om dit te onderzoeken, ze combineerden verschillende methoden waardoor ze tot in detail konden onderzoeken wat er in de beschermde laag gebeurt. De combinatie van confocale fluorescentiemicroscopie en coherente anti-Stokes Raman-verstrooiing uitgevoerd in het laboratorium door Erik Freier, met elektrochemie voor de analyse van de beschermende matrix toonde aan:Het beschermende proces leidt tot een ophoping van waterstofperoxide, die schade aan de katalytische film bevordert.

De onderzoekers laten zien dat de ontleding van waterstofperoxide met jodidezouten de halfwaardetijd van een hydrogenase voor waterstofoxidatie verlengt tot maximaal een week bij constante omzet, zelfs bij constante blootstelling aan hoge zuurstofconcentraties. "Algemeen, onze gegevens bevestigen de theorie dat redoxfilms zuurstofgevoelige katalysatoren volledig immuun maken voor directe deactivering door zuurstof, " besluit Plumeré. "Echter, het is erg belangrijk om ook de productie van waterstofperoxide te onderdrukken om volledige bescherming tegen oxidatieve stress te bereiken."

"Ons werk toont aan dat de eenvoudige strategie om jodidezouten aan de elektrolyt toe te voegen, voldoende kan zijn om de inactiveringssnelheden van biokatalysatoren aanzienlijk te verminderen, " zeggen de onderzoekers. Ze geloven dat dit de wijdverbreide implementatie van andere elektrokatalytische processen in echte toepassingen mogelijk zal maken. Dit omvat ook energieconversieprocessen zoals zonnebrandstofopwekking door koolstofdioxidereductie en de elektrosynthese van fijne of basische chemicaliën zoals ammoniak.