Onderzoekers van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) hebben nieuwe technieken ontwikkeld om bacteriële enzymen efficiënt aan elektroden te koppelen. Samen met een team van de Universiteit van Utah, ze realiseerden een systeem voor ammoniaksynthese op basis van een stikstofase-enzym. Ook ontwierpen ze samen met een team van het Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion een waterstof/zuurstof biobrandstofcel op basis van een hydrogenase-enzym. Beide artikelen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie in mei en juni 2020.

Krachtige enzymen vereisen speciale voorwaarden

Veel enzymen die in de natuur voorkomen zijn krachtige katalysatoren, zoals de zogenaamde [FeFe]-hydrogenasen. Hydrogenasen worden door bacteriën gebruikt om waterstof te produceren, terwijl stikstofasen erin slagen de sterkste binding in de natuur in stikstof (N2) te activeren. Beide enzymen zijn zeer gevoelig voor zuurstof, maar gebruik gemakkelijk verkrijgbare niet-edele metalen in hun actieve centra. Zo zouden ze op een dag dure edelmetaalkatalysatoren kunnen vervangen. "Het gebruik van dergelijke zeer gevoelige katalysatoren voor biobrandstofcellen is nog steeds een van de grootste uitdagingen bij de conversie van duurzame energie, " zegt professor Wolfgang Schuhmann, hoofd van het RUB Center for Electrochemistry en lid van het cluster of excellence "Ruhr Explores Solvation, "Oplossen.

Biobrandstofcel gerealiseerd met enzym

In samenwerking met het team van professor Wolfgang Lubitz van het Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion in Mülheim an der Ruhr, de Bochum-groep liet zien onder welke omstandigheden dit toch mogelijk is. Ze gebruikten een zogenaamde [FeFe]-hydrogenase van de bacterie Desulfovibrio desulfuricans. Hoewel dit een zeer efficiënte katalysator is, het moet in de brandstofcel worden beschermd tegen de zuurstof die nodig is voor gebruik aan de tweede elektrode.

In dit werk, de wetenschappers integreerden de [FeFe]-hydrogenase voor het eerst in een biobrandstofcel die werkte met zogenaamde gasdiffusie-elektroden. In deze cel, waterstof en zuurstof worden via een membraan naar de enzymen getransporteerd. Het team heeft het enzym ingebed in een matrix die bestaat uit een zogenaamd redoxpolymeer, die het enzym aan het gasdoorlatende elektrodeoppervlak fixeert, beschermt het enzym tegen de schadelijke effecten van zuurstof en brengt ook elektrisch contact tussen het enzym en de elektrode tot stand. Met dit ontwerp, de brandstofcel bereikte voorheen onbereikte hoge stroomdichtheden van 14 milliampère per vierkante centimeter en hoge vermogensdichtheden van 5,4 milliwatt per vierkante centimeter.

Biobased proces voor ammoniakproductie

Bij het tweede project het onderzoeksteam van RUB, samen met de Amerikaanse groep onder leiding van professor Shelley Minteer van de Universiteit van Salt-Lake City, gezocht naar een bio-elektrosynthetisch alternatief voor ammoniaksynthese. In de chemische industrie, ammoniak wordt gewoonlijk geproduceerd met het Haber-Bosch-proces bij hoge temperatuur en hoge druk en met een aanzienlijke uitstoot van CO ₂ .

Sommige bacteriën bezitten enzymen, stikstofasen genoemd, waarmee ze moleculaire stikstof (N2) fixeren en deze bij kamertemperatuur en zonder verhoogde druk kunnen metaboliseren. Echter, in levende organismen kost dit veel energie in de vorm van de energieopslagmoleculen ATP.

Het onderzoeksteam toonde aan dat het mogelijk is om de stikstofase van de bacterie Azotobacter vinelandii te koppelen met een elektrode waardoor de benodigde elektronen voor de reactie kunnen worden geleverd, zodat er geen ATP nodig is. Alweer, de sleutel tot succes was een redoxpolymeer dat hielp om een ​​stabiel en efficiënt elektrisch contact tot stand te brengen tussen de elektrode en de stikstofase/redoxpolymeercomposiet. "Voor zover we weten, de fixatie en het in contact brengen van stikstofasen in redoxpolymeren is de eerste stap in het toepasbaar maken van stikstofasen voor bio-elektrosynthese, " schrijven de auteurs van de studie.