Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Algenprotein verstärkt elektrochemische Wasserspaltung

19.12.2011
Durch Wasserspaltung in photoelektrochemischen Zellen Wasserstoff zu erzeugen, ist ein viel versprechender Weg hin zu nachhaltigen Kraftstoffen.

Ein Team aus Schweizer und US-amerikanischen Wissenschaftlern hat vor kurzem hoch effiziente Elektroden entwickelt – aus Algenproteinen, die auch in der natürlichen Photosynthese eine entscheidende Rolle spielen.


Film aus Hämatit-Nanopartikeln (rot) mit vernetztem Phycocyaninprotein (grün). Bild: Dr. E. Vitol, Argonne National Laboratory

Die Photosynthese gilt als «Heiliger Gral» auf dem Gebiet der nachhaltigen Energieerzeugung; sie wandelt Sonnenenergie direkt in speicherbaren Kraftstoff um, als Ausgangsstoffe benötigt sie lediglich Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Wissenschaftler versuchen seit langem, die Prozesse der natürlichen Photosynthese nachzuahmen und technisch zu nutzen. So können beispielsweise photoelektrochemische Zellen (PEC) Wasser mit Solarenergie elektrochemisch spalten und dadurch Wasserstoff direkt erzeugen, also ohne den «Umweg», die zur Elektrolyse von Wasser benötigte Energie durch Photovoltaik zu gewinnen.

Die in PEC verwendeten Elektroden werden gewöhnlich aus Halbleitern, etwa Metalloxiden, hergestellt, von denen einige auch photokatalytisch wirken. Forscher der Empa-Abteilung «Hochleistungskeramik» untersuchen schon seit einiger Zeit Nanopartikel dieser Werkstoffe – beispielsweise Titandioxid (TiO2) – mit dem Ziel, damit Luft und Wasser von organischen Schadstoffen zu reinigen. Nun ist es ihnen zusammen mit KollegInnen der Universität Basel und des US-amerikanischen «Argonne National Laboratory» gelungen, eine PEC-Elektrode zu entwickeln, mit der sich Wasser doppelt so effizient spalten lässt wie mit bisherigen Eisenoxidelektroden. Die neuartige «Nano-Bio»-Elektrode besteht aus Eisenoxidpartikeln, an die ein Protein aus Blaualgen (auch als Cyanobakterien bekannt) gekoppelt ist.

Natürliche Photosynthese als Inspiration

Eisenoxid, insbesondere Hämatit (-Fe2O3), ist ein viel versprechendes Material für PEC-Elektroden, da es auch den sichtbaren Teil des Sonnenlichts absorbiert und dieses dadurch effizienter nutzt als etwa TiO2, das nur den ultravioletten Anteil verwenden kann. Ausserdem ist Hämatit kostengünstig und in grossen Mengen verfügbar.

Der zweite Bestandteil der neuartigen Elektrode ist das Blaualgenprotein Phycocyanin. «Die natürliche photosynthetische Maschinerie der Cyanobakterien, in der Phycocyanin als wichtigste Licht sammelnde Komponente fungiert, hat mich inspiriert; ich wollte mit Hilfe von Keramik und eben diesen Proteinen die Photosynthese sozusagen nachbauen», erinnert sich Debajeet K. Bora, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Empa die neue Elektrode entwickelte. «Das Konzept der Oberflächenfunktionalisierung von Hämatit mit Proteinen war in der PEC-Forschung vorher vollkommen unbekannt.»

Nachdem Bora Phycocyanin kovalent an Hämatit-Nanopartikel gekoppelt und diese in einem dünnen Film immobilisiert hatte, absorbierte das konjugierte Hämatit deutlich mehr Photonen als ohne Protein: Der Photostrom der hybriden Elektrode verdoppelte sich im Vergleich zu einer «normalen» aus Eisenoxid.

Ganz schön robust – zum Glück

Zur Überraschung der Forscher wurde der Proteinkomplex während des Betriebs der PEC nicht zerstört, obwohl er in alkalischer Umgebung und unter Lichteinfluss in direkten Kontakt mit einem Photokatalysator kam. Chemiker hätten bei derart korrosiven und aggressiven Bedingungen eigentlich eine vollständige Denaturierung der Biomoleküle erwartet. «Photokatalysatoren sind darauf ausgelegt, umweltbelastende Kohlenwasserstoffe zu zerstören. Hier haben wir jedoch eine andere Situation», sagt Projektleiter Artur Braun. «Es scheint eine delikate Balance zu geben, bei der organische Moleküle nicht nur die Photokatalyse überleben, sondern unseren Keramikkatalysatoren sogar einen Vorteil verleihen: Sie verdoppeln den Photostrom. Das ist ein enormer Fortschritt.»

Das Projekt wurde vom Bundesamt für Energie (BFE) finanziert. Debajeet K. Bora, der schon bald seine Dissertation abschliesst, wird seine an der Empa begonnene Arbeit an der University of California in Berkeley (USA) fortsetzen, wo er Anfang nächsten Jahres eine Stelle als Postdoktorand antritt.

Literaturhinweis
Debajeet K. Bora, Elena A. Rozhkova, Krisztina Schrantz, Pradeep P. Wyss, Artur Braun, Thomas Graule and Edwin C. Constable: Functionalization of Nanostructured Hematite Thin-Film Electrodes with the Light-Harvesting Membrane Protein C-Phycocyanin Yields an Enhanced Photocurrent, «Advanced Functional Materials», http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201101830/pdf

Rémy Nideröst | EMPA
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201101830/pdf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Geräteschutzschalter erfüllt NEC Class 2
19.05.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

nachricht Elektronikgehäuse für Anzeigeeinheiten
19.05.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften