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Coupling of One-Dimensional TiO2 with Hydrogenase: Simultaneous Visible-Light Driven H2 Production and Treatment of an Organic Pollutant

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Wasserstoff-Biotreibstoff aus Sonnenlicht 

Eine EU-geförderte Initiative hat bessere und kosteneffiziente künstliche Photosynthese-Systeme untersucht. Das Ziel war, Sonnenenergie zu erfassen und in den chemischen Bindungen eines Brennstoffs speichern, wodurch eine nachhaltige Form der erneuerbaren Energie für die Zukunft geliefert werden sollte.

Energie

Sonnenlicht kann eine mögliche Energiequelle für die Herstellung von Wasserstoff bieten, indem Wasser durch künstliche Photosynthese in seine Bestandteile aufgespalten wird. Europäische Forscher haben einen neuen Ansatz verwendet, der Halbleiter-Nanomaterialien mit katalytisch aktiven biologischen Enzyme integrierte, um Protonen zu Wasserstoff in einem wässrigen Elektrolyten zu reduzieren, der dem Sonnenlicht ausgesetzt wurde. Das ursprüngliche Ziel des Projekts 1DH2OP (Coupling of one-dimensional TiO2 with hydrogenase: simultaneous visible-light driven H2 production and treatment of an organic pollutant) war es, die Verwendung von Enzym-Elektrodenmaterialien zu fördern. Dies wurde auf zwei Enzyme, Photosystem II (PSII) für die Wasseroxidation und Hydrogenase für die Protonenreduktion, gestützt. Das zweite Ziel des Projekts war es, eine Strategie zu entwickeln, um Hydrogenase auf einer p-Si-Photokathode zur Erzeugung von Wasserstoff zu immobilisieren, so dass die Entwicklung einer photoelektrochemische Tandemzelle auf Enzymbasis möglich wird. Dies ermöglichte die Entwicklung eines nicht assistierten photokatalytischen Systems, um Wassermoleküle mit Sonnenlicht zu spalten. Darüber hinaus untersuchten die Forscher zwei gleichzeitige Prozesse für Wasserstofferzeugung und Kohlendioxidreduktion über einen bakteriellen Formiat -Hydrogenlyasekomplex. Diese Entwicklungen führten zu der Entwicklung von neuen künstlichen biomimetischen Systemen für Bioenergie-Anwendungen. Die Projektpartner bauten erfolgreich eine photoelektrochemische Bio-Hybrid-Zelle auf Enzymbasis, Photokathoden auf Enzymbasis und enzymatische Prozesse bei gleichzeitiger Herstellung von H2 und CO2-Reduktion. Dies demonstrierte die Vielseitigkeit der biologischen Enzyme, wenn sie mit anorganischen und Halbleitermaterialien gekoppelt werden. Die direkte Kopplung von (PSII) an Hydrogenase erwies sich als eine effiziente Route für photobiologischen H2-Erzeugung. Fortschritte an der PSII Photoanoden-Schnittstelle sollen zu weiteren Verbesserungen des Licht-zu-Produkt-Umwandlungswirkungsgrad führen. Titandioxid (TiO2) wurde als Schutzschicht und effiziente Grenzflächenschicht für Hydrogenaseimmobilisierung verwendet. Es liefert auch eine brauchbare Plattform, um das Enzym mit einem Halbleiter vom p-Typ zu verbinden, um eine durch Licht angetriebene Protonenreduktion in katalytischen Reaktionen durchzuführen. Weitere Verbesserungen können an der Zwischenschicht erfolgen, indem eine dünne Schicht aus TiO2 mit dem Atomschichtabscheidungsverfahren aufgebracht wird. Die Arbeit von 1DH2OP an Formiat Hydrogenlyase zeigte ein hervorragendes System, bei dem Enzyme reagieren können, um H2-Produktion und CO2-Reduktion in einem einzigen Komplex durchzuführen. Daher kann das entwickelte biomimetische System für die H2-Produktion als Biokraftstoff verwendet werden. Dies wird zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit des Europäischen Forschungsraums im Bereich der erneuerbaren Energieforschung und der Milderung des Klimawandels beitragen.  

Schlüsselbegriffe

Solarenergie, Halbleiter-Nanomaterialien, 1DH2OP, Photosystem II, Hydrogenase, p-Si-Photokathode, photoelektrochemische Zelle, Fotokatode, Formiat hydrogenlyase Photoanode, Titandioxid

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