Brennstoffzelle: Schutz für sensible Katalysatoren

Abgeschirmter Reaktionshelfer: Ein neuartiges Hydrogel schützt Katalysatoren wie diese Hydrogenase, die in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen könnte, vor Sauerstoffmolekülen (rot), die den Katalysator irreversibel schädigen könnten. Das Hydrogel wandelt den Sauerstoff in unschädliches Wasser um (rot-weiß). © Felipe Conzuelo

Preiswerte Brennstoffzellen werden jetzt greifbarer. Denn ein internationales Forscherteam ist dem Ziel näher gekommen, das teure und seltene Platin, das Brennstoffzellen heute als Katalysator benötigen, durch Enzyme, genauer gesagt Hydrogenasen, zu ersetzen. Diese Bio-Katalysatoren können wie Platin die Umsetzung von Wasserstoff vermitteln, werden jedoch von Sauerstoff zerstört.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr und der Ruhr-Universität Bochum haben nun eine besonders empfindliche Hydrogenase mit einem Hydrogel vor Sauerstoff geschützt.

Darüber hinaus klärten die Forscher gemeinsam mit Kollegen der Universität Aix Marseille und des Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich genau auf, wie der Schutzmechanismus funktioniert. Die Erkenntnisse vereinfachen die Entwicklung von Katalysatoren.

Ohne Katalysatoren läuft in der Chemie wenig: Sie vermitteln zwischen Reaktionspartnern und erleichtern so viele chemische Umsetzungen oder machen sie erst möglich. Katalysatoren für die industrielle Nutzung werden aber nicht nur für eine ganz bestimmte Reaktion maßgeschneidert, sie müssen auch effizient, stabil und preisgünstig sein.

„Diese Anforderungen in einem Molekül zu kombinieren ist eine große Herausforderung“, sagt Nicolas Plumeré, Chemiker an der Ruhr-Universität Bochum. Manche vielversprechende Katalysatoren schaffen es daher nicht in die Anwendung, weil sie nicht alle nötigen Eigenschaften mitbringen. Zumindest in puncto Stabilität können Chemiker künftig aber Abstriche in Kauf nehmen. Denn Katalysatoren lassen sich mit einem Hydrogel schützen, wie die Forscher der Ruhr-Universität Bochum und des Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim nun an einem besonders empfindlichen Katalysator demonstrieren.

Hydrogel wirkt als Lösungsmittel und schützende Umgebung

In den Versuchen, deren Konzept die Forscher bereits in einer vorangegangenen Arbeit vorstellten, arbeitete das 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 betteten 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 bietet es eine schützende Umgebung, in 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 am Rand des Hydrogels auf den Sauerstoff übertragen, wodurch dieser in eine unschädliche Form – nämlich in Wasser – umgewandelt wird und nicht mehr zu dem empfindlichen Katalysator vordringt. Die Details dieses Mechanismus untersuchten die Forscher gemeinsam mit Kollegen der Universität Aix Marseille und des CNRS. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen könnten helfen, den Schutz durch Hydrogele zu verbessern und an diverse empfindliche Katalysatoren anzupassen.

Katalysatordesign könnte in Zukunft bedeutend einfacher werden

Mit Simulationen und Experimenten wies das deutsch-französische Team noch eine weitere wichtige Eigenschaft des Hydrogels nach. 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 auch vor dem Verlust der Aktivität, und zwar selbst bei solchen 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.

Ansprechpartner

Dr. Olaf Rüdiger
Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion, Mülheim an der Ruhr
Telefon: +49 208 306-3526

E-Mail: olaf.ruediger@cec.mpg.de

Originalpublikation
Alsheikh Oughli, Felipe Conzuelo, Martin Winkler, Thomas Happe, Wolfgang Lubitz, Wolfgang Schuhmann, Olaf Rüdiger und Nicolas Plumeré

Protection from oxidative damage of the O2 sensitive [FeFe]-hydrogenase from Chlamydomonas reinhardtii using a redox hydrogel

Angewandte Chemie International Edition, 12. Juni 2015; DOI: 10.1002/anie.201502776R1

Vincent Fourmond, Stefanie Stapf, Huaiguang Li, Darren Buesen, James Birrell, Olaf Rüdiger, Wolfgang Lubitz, Wolfgang Schuhmann, Nicolas Plumeré und Christophe Legér

The mechanism of protection of catalysts supported in redox hydrogel films

Journal of the American Chemical Society, 2. April 2015; DOI: 10.1021/jacs.5b01194

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Dr. Olaf Rüdiger Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion, Mülheim an der Ruhr

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