Een enzym kan een droom voor de energie-industrie waarmaken:het kan efficiënt waterstof produceren met behulp van elektriciteit en kan ook elektriciteit opwekken uit waterstof. Het enzym wordt beschermd door het in te bedden in een polymeer. Een internationaal onderzoeksteam met aanzienlijke deelname van wetenschappers van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft het systeem gepresenteerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuur Katalyse .

Brandstofcellen zetten waterstof om in elektriciteit, terwijl elektrolysers elektriciteit gebruiken om water te splitsen om waterstof te produceren. Beide hebben het zeldzame en dus dure edelmetaal platina nodig als katalysator. De natuur heeft een andere oplossing bedacht:enzymen, waterstofasen genoemd. Ze katalyseren de omzetting van waterstof zeer snel en vrijwel zonder energieverlies.

Echter, in het verleden werden deze biokatalysatoren vanwege hun hoge gevoeligheid voor zuurstof niet geschikt geacht voor industrieel gebruik. Nu een onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München (TUM), Ruhr-Universität Bochum (RUB), het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) in Marseille en het Max-Planck Instituut voor Chemische Energieomzetting zijn erin geslaagd om de gevoelige enzymen in een beschermend polymeer in te bedden op een manier die ze levensvatbaar maakt voor gebruik bij technische waterstofomzetting.

Duurzaamheid versus activiteit

"Wanneer de gevoelige hydrogenasen zijn ingebed in geschikte polymeren, blijven ze enkele weken werken, zelfs in aanwezigheid van zuurstof, " zegt Nicolas Plumeré, Professor voor Elektrobiotechnologie aan de TUM Campus Straubing voor Biotechnologie en Duurzaamheid. "Zonder deze bescherming verliezen ze hun activiteit binnen enkele minuten."

De hydrogenasen inbedden in polymeren waarvan de zijketens elektronen kunnen overbrengen, aangeduid als redoxpolymeren, heeft echter twee doorslaggevende nadelen:een hoge weerstand compenseert de stroom van elektronen door het redoxpolymeer. Dit vereist de investering van energie die vervolgens verloren gaat in de vorm van warmte. En de ingebedde hydrogenasen verliezen volledig hun vermogen om waterstof te genereren.

Fijnafstemmingspotentieel

Met een slimme selectie van de juiste polymeer zijketens, het onderzoeksteam is er nu in geslaagd om de redoxpotentiaal van het polymeer zo in te stellen dat er slechts een kleine overspanning nodig is om de weerstand te overwinnen.

Nader onderzoek wees uit dat de potentiaal van de zijketens enigszins was verschoven naar positieve waarden vanwege de inbedding in de polymeermatrix. In een verdere poging gebruikten ze een zijketen met een overeenkomstige negatieve potentiaal. Deze truc was de doorbraak:de hydrogenase was nu in staat om de reactie in beide richtingen te katalyseren zonder energieverlies.

Biokatalysator voor waterstofconversie

Met behulp van dit systeem bouwde het onderzoeksteam vervolgens een brandstofcel, waarin zuurstof wordt gereduceerd door het enzym bilirubine-oxidase van de bacterie Myrothecium verrucaria, terwijl de hydrogenase ingebed in de polymeerfilm de waterstof oxideert van de bacterie desulfovibrio desulfuricans, daarbij elektriciteit opwekken.

De cel bereikte een waarde, met een nullastspanning van 1,16 V, de hoogste ooit gemeten voor een systeem van dit type en dicht bij het thermodynamische maximum. Met drie milliampère per vierkante centimeter bereikte de cel tegelijkertijd een zeer hoge vermogensdichtheid voor biologische cellen.

Het systeem kan ook worden gebruikt voor de omgekeerde reactie, waterstof produceren door elektronen te verbruiken:de energieconversie-efficiëntie is bijna 100 procent, zelfs met vermogensdichtheden van meer dan vier milliampère per vierkante centimeter.

Blauwdruk voor nieuwe biokatalysatoren

"De vermindering van energieverlies heeft twee doorslaggevende voordelen, " zegt Nicolas Plumeré. "Eerst, het maakt het systeem aanzienlijk efficiënter; tweede, de warmte die in een brandstofcelstack op hoge prestatieniveaus wordt gegenereerd, zou een probleem vormen voor biologische systemen."

Om hun systeem concurrerend te maken met systemen die op platina gebaseerde katalysatoren gebruiken, het lopende onderzoek van het team is nu gericht op het verbeteren van de stabiliteit van de hydrogenasen bij hogere vermogensdichtheden.

Verder, de bevindingen kunnen ook worden overgedragen naar andere zeer actieve maar gevoelige katalysatoren voor energieconversie en elektrosynthese. Directe doelen zijn hier vooral kooldioxide-reducerende enzymen die elektriciteit kunnen gebruiken om vloeibare brandstoffen of tussenproducten te maken uit kooldioxide.