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03. August 2018

Katalyseforschung

Ein Hauch von frischer Luft

Einem Forschungsteam aus dem Mülheimer Max-Planck-Institut (MPI) für chemische Energiekonversion und dem MPI für Kohlenforschung ist es gelungen, natürlich vorkommende Katalysatoren, sogenannte Hydrogenasen für die Anwendung zu optimieren.

Es ist bereits bekannt, dass Wasserstoff ein geeigneter Energieträger ist. Denn er kann aus Wasser hergestellt werden, idealerweise mit erneuerbaren Energiequellen und einem effizienten Reaktionsbeschleuniger, einem Katalysator, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Das produzierte Wasserstoffgas kann dann als Brennstoff gespeichert und in einer Brennstoffzelle verbraucht werden, um bei Bedarf Elektrizität zu erzeugen. Dabei entsteht nur Wasser als Abfallprodukt. Diese Technologie ist bereits verfügbar und kann hohe Wirkungsgrade erreichen. Leider basieren die benötigten Katalysatoren aber auf seltenen und teuren Metallen wie Platin.

Bio-Wasserstoff

Die Natur verwendet ebenfalls Wasserstoff als Brennstoff. Anstelle der Edelmetalle nutzt sie jedoch lebende Organismen, die Enzyme, als Katalysatoren. Der Katalysator ihrer Wahl für die Wasserstoff-Umsetzung sind die sogenannten Hydrogenasen. Das aktive Zentrum dieser Enzyme enthält häufig vorkommende, preiswerte Metalle, wie Nickel und/oder Eisen, und kann ebenso effizient arbeiten wie Platin. Hydrogenasen sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff und können nicht an der Luft verwendet werden, was ihre Handhabung erschwert und daher ihre Anwendung in der Technologie einschränkt.

Leicht handzuhabende Hydrogenase

Kürzlich hat ein Team aus beiden Mülheimer Max-Planck-Instituten nun einen Weg gefunden, diese empfindlichen Enzyme vor Sauerstoffschäden zu schützen. Die Behandlung der Hydrogenasen mit starken Oxidationsmitteln in Gegenwart von Sulfid wandelte diese in eine sauerstoffstabile Form um. Spektroskopische und elektrochemische Methoden wurden verwendet, um den gebildeten sauerstoffstabilen Zustand zu charakterisieren. Das sauerstoffstabile Enzym kann dann an der Luft gelagert und gehandhabt werden. Dies macht es leicht, das Enzym in Brennstoffzellen oder in der elektrolytischen oder photolytischen Wasserspaltung zu verwenden. Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt für die technologische Verwendung der Hydrogenasen sowie für die Aufklärung des Mechanismus der Sauerstoffinaktivierung dar und liefern auch Hinweise zum Schutz synthetischer molekularer Katalysatoren für die Wasserstoffnutzung und -erzeugung. Die Arbeit wurde von der Max-Planck-Gesellschaft und dem Exzellenzcluster Resolv der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Sauberer Energieträger

Hydrogenasen sind Weltmeister in der Produktion von Wasserstoff. Unter optimalen Bedingungen kann ein einziges Hydrogenase-Enzym in einer Sekunde 9’000 Wasserstoff-Moleküle herstellen. Hydrogenasen spielen in vielen einzelligen Lebewesen sowie Bakterien oder Grünalgen eine wichtige Rolle im Energiehaushalt. Für uns könnten sie dazu beitragen, einen sauberen Energieträger herzustellen, denn Wasserstoff verbrennt zu reinem Wasser. Biologen und Chemiker arbeiten daher schon seit Jahren daran, diese Enzyme und seine chemischen Blaupausen industriell nutzbar zu machen – als günstiges und umweltfreundliches Material für neuartige Brennstoffzellen oder sogar zur direkten Herstellung von Wasserstoff aus Sonnenenergie mittels artifizieller Photosynthese. Das aktive Zentrum der sogenannten Eisen-Eisen-Hydrogenasen ist einzigartig, da es ohne seltene Edelmetalle wie Platin die Katalyse durchführt. Wissenschaftler beschäftigen sich deshalb intensiv mit der Nachbildung dieses Eisen-Komplexes. Das gelingt zwar, aber die chemischen Imitate produzieren nur sehr geringe Mengen Wasserstoff. Andererseits ist die Isolation und Reinigung des natürlichen Enzyms aus Bakterien oder Algen mühsam und aufwändig.

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