Skip to main content

Operando FTIR spectro-electrochemistry of hydrogenases: unraveling the basis of biological H2 production for innovative clean energy technologies

Article Category

Article available in the folowing languages:

Wasserstofferzeugung wie in der Natur – für sichere und saubere Energie

Ein Prozess, der in natürlichen Organismen abläuft, könnte so nachgeahmt werden, dass Europa mit großen Mengen an nachhaltiger Energie versorgt wird.

Energie

Europa ist ständig auf der Suche nach erneuerbaren Energiequellen und entsprechenden Nutzungstechnologien. Wasserstoff ist als erneuerbarer Brennstoff äußerst vielversprechend, doch bisher war seine Erzeugung nicht vollständig umweltfreundlich, da dazu fossile Brennstoffe nötig sind. Ließe sich die Energie aus Wasserstoff auf natürlichere Weise gewinnen, könnte dieses Problem endgültig gelöst sein. Europa hätte für seinen Weg in eine nachhaltigere Zukunft eine saubere, sichere Energiequelle zur Verfügung. Im Projekt H2Bio2Energy wurden biologische Methoden erforscht, die dazu geeignet wären. Dabei sollte grundlegend geklärt werden wie Metalloenzyme, bestimmte natürliche Enzyme, die in vielen lebenden Organismen vorkommen, aus Wasser Wasserstoff herstellen. Diese Reaktion läuft in einigen Mikroorganismen von Natur aus ab. Der dabei entstehende Wasserstoff könnte als sauberer Brennstoff verwendet werden, doch noch ist der genaue Reaktionsmechanismus nicht umfassend erforscht. „Hauptziel des Projekts war es, innovative experimentelle Ansätze zu entwickeln, die detaillierte Informationen über den Reaktionsmechanismus liefern können. Nur mit diesem Wissen können wir diese natürlichen Enzyme in zukünftigen Technologien einsetzen bzw. effizientere künstliche Katalysatoren konzipieren“, erklärt Kylie Vincent, Professorin für Anorganische Chemie an der Universität Oxford und Projektkoordinatorin von H2Bio2Energy.

Inspiration aus der Natur

Bei den spezifischen Metalloenzymen, die im Projekt zum Einsatz kommen, handelt es sich um [FeFe]-Hydrogenasen. Sie kommen in einigen Bakterien, aber auch in einzelligen Grünalgen vor, wo sie auf natürliche Weise Wasserstoff produzieren, um überleben zu können. Interessant werden [FeFe]-Hydrogenasen dadurch, dass sie mit Eisen und nicht mit Platin als Katalysator arbeiten, wie es bei anderen der Fall ist. Für industrielle Anwendungen im Großmaßstab wäre es wesentlich einfacher – und günstiger – anstelle von Platin Eisen zu nutzen, das auf der Welt viel häufiger vorkommt. „Stellen Sie sich vor, wie viel ein Platinring kostet und vergleichen Sie das mit dem Preis für einen Eisenring. Der Kostenunterschied ergibt sich daraus, dass es in der Erdkruste nur sehr kleine Mengen Platin gibt und es sehr aufwändig und ressourcenintensiv ist, es dort abzubauen. Eisen ist im Gegensatz dazu im Überfluss vorhanden, kann leicht abgebaut und problemlos wiederverwertet werden“, so Simone Morra, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat an der Universität Oxford und Hauptforscheri im Projekt H2Bio2Energy. In dem Projekt wurden neue innovative Instrumente und Ansätze für die Erforschung der Wasserstofferzeugung entwickelt und umgesetzt, die alle mit Infrarotlicht arbeiten. So konnte das Team gezielt herausfinden, was im wichtigsten Teil des Enzyms, dem katalytischen Zentrum, passiert, in dem die Reaktionen ablaufen.

Eine saubere Zukunft im Blick

„Metalloenzyme wie die [FeFe]-Hydrogenasen erfüllen ihre eigentliche Aufgabe zwar hervorragend, sind aber nicht sehr zeitstabil. Darum arbeiten wir darauf hin, dass sich mit den in diesem Projekt gesammelten Daten eines Tages die Abläufe in der Natur nachahmen lassen und die Herstellung eines synthetischen eisenbasierten Katalysators mit exzellenter Leistung und Stabilität möglich wird“, erklärt Morra. Dieser Katalysator könnte dann Platin bei der Herstellung von Wasserelektrolyseuren ersetzen. Diese würden dann wiederum zur Erzeugung von Wasserstoff für Fahrzeugantriebe oder zur Speicherung von überschüssigem Strom (aus Solarmodulen oder Windkraftanlagen) in einem Kraftwerk genutzt. Morra ergänzt: „Dieses Projekt wurde erst dank der Unterstützung aus dem Einzelstipendienprogramm der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen im Rahmen von Horizont 2020 möglich. Der größte Vorteil des Stipendiums ist, dass man mit jedem Kollegen oder jeder Kollegin aus Europa oder dem Rest der Welt zusammenarbeiten kann, der oder die am besten dafür geeignet ist, ganz ohne Einschränkungen durch Staatsgrenzen.“

Schlüsselbegriffe

H2Bio2Energy, Chemie, Wasserstoff, Energie, grün, Quelle, Energiequelle, Enzyme

Entdecken Sie Artikel in demselben Anwendungsbereich