Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Schutzschild für sensible Katalysatoren: Hydrogele blocken schädlichen Sauerstoff ab

15.06.2015

Ein internationales Forscherteam hat einen Weg gefunden, sensible Katalysatoren vor Schäden durch Sauerstoff zu schützen. Das könnte es in Zukunft ermöglichen, Wasserstoff-Brennstoffzellen mit Biomolekülen wie dem Enzym Hydrogenase oder molekularen Katalysatoren umzusetzen.

Bislang wird dafür das seltene und teure Edelmetall Platin benötigt. In den Zeitschriften „Angewandte Chemie“ und „Journal of the American Chemical Society“ berichten die Forscher aus Bochum und Mülheim gemeinsam mit französischen Kollegen, wie ein Hydrogel als „Schutzschild“ für die Biomoleküle dienen kann.


Ein neuartiges Hydrogel schützt Katalysatoren vor Sauerstoffmolekülen (rot), die den Katalysator irreversibel schädigen könnten. Es wandelt den Sauerstoff in unschädliches Wasser um (rot-weiß).

© Felipe Conzuelo

Anforderungen an Katalysatoren sind schwer zu vereinen

Damit Katalysatoren sich für eine industrielle Nutzung eignen, müssen sie effizient, stabil und preisgünstig sowie für eine ganz bestimmte chemische Reaktion maßgeschneidert sein. „Diese Anforderungen in einem Molekül zu kombinieren ist eine große Herausforderung“, sagt Dr. Nicolas Plumeré, Chemiker an der Ruhr-Universität Bochum.

Ein neues Hydrogel, in das die Katalysatoren eingebettet werden, könnte die Entwicklung in Zukunft wesentlich leichter machen. Die Bochumer Forscher konzipierten die Arbeit gemeinsam mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim sowie der Universität Aix Marseille und dem Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich.

Hydrogel wirkt als Lösungsmittel und schützende Umgebung

Für die Versuche arbeitete das deutsche Team mit dem Enzym Hydrogenase aus der Grünalge Chlamydomonas rheinhardtii; es spaltet Wasserstoff in Protonen und Elektronen. Normalerweise reichen kleinste Mengen Sauerstoff aus, um das Biomolekül irreversibel zu schädigen.

Die Wissenschaftler bauten es jedoch in ein Hydrogel ein, das zwei Funktionen übernimmt: Es dient als Lösungsmittel und sorgt dafür, dass alle Reaktionspartner schnell und leicht zum Enzym gelangen.

Gleichzeitig stellt es eine schützende Umgebung bereit, in der der Sauerstoff nicht zum Enzym vordringen kann, auch wenn er in relativ hohen Konzentrationen vorliegt. Der Trick: Bei der Arbeit der Hydrogenase entstehen Elektronen; sie wandern durch das Hydrogel und werden auf den Sauerstoff übertragen, wodurch dieser in eine unschädliche Form – nämlich in Wasser – umgewandelt wird.

Katalysatordesign könnte in Zukunft bedeutend einfacher werden

Mit Simulationen und Experimenten zeigte das deutsch-französische Team noch eine weitere wichtige Eigenschaft des Hydrogels. Die Aktivität einiger Katalysatoren lässt mit der Zeit nach; manche können über spezielle Prozesse wieder funktionstüchtig gemacht werden, für andere Katalysatoren gibt es keinen solchen Reaktivierungsmechanismus. Das Hydrogel schützt aber selbst solche Katalysatoren, für die es keinen Reaktivierungsprozess gibt.

„In Zukunft muss man bei der Entwicklung von Katalysatoren für technische Anwendungen also nicht mehr auf ihre Robustheit oder passende Reaktivierungsprozesse achten“, erklärt Olaf Rüdiger, Chemiker am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion. „Man kann sich einzig und allein darauf konzentrieren, die Aktivität des Katalysators zu maximieren. Das vereinfacht den Entwicklungsprozess sehr und eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von Brennstoffzellen.“

Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte das Projekt im Rahmen des Exzellenzcluster RESOLV (EXC 1069). Das französische Teilprojekt wurde unterstützt von „L'Agence Nationale de la Recherche“ und dem „A*MIDEX“-Projekt „MicrobioE“ des Programms „Investissements d’Avenir“ der französischen Regierung.

Titelaufnahmen

A. Alsheikh Oughli, F. Conzuelo, M. Winkler, T. Happe, W. Lubitz, W. Schuhmann, O. Rüdiger, N. Plumeré (2015): Protection from oxidative damage of the O2 sensitive [FeFe]-hydrogenase from Chlamydomonas reinhardtii using a redox hydrogel, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.201502776R1

V. Fourmond, S. Stapf, H. Li, D. Buesen, J. Birrell, R. Olaf; W. Lubitz, W. Schuhmann, N. Plumeré, C. Léger (2015): The mechanism of protection of catalysts supported in redox hydrogel films, Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/jacs.5b01194

Weitere Informationen

Dr. Nicolas Plumeré, Nachwuchsgruppe Molecular Nanostructures am Zentrum für Elektrochemie (CES), Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-29434, E-Mail: nicolas.plumere@rub.de

Dr. Olaf Rüdiger, Gruppenleiter Protein-Elektrochemie, Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion Mülheim an der Ruhr, Tel. 0208/306-3526, E-Mail: olaf.ruediger@cec.mpg.de

Dr. Julia Weiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sollbruchstellen im Rückgrat - Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung
02.12.2016 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht "Fingerabdruck" diffuser Protonen entschlüsselt
02.12.2016 | Universität Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie