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Wasserstoffproduktion: Algenprotein verstärkt elektrochemische Wasserspaltung

Einem Team aus Schweizer und US-amerikanischen Wissenschaftlern ist die Entwicklung einer hoch wirksamen Elektrode aus Algenproteinen gelungen. Mithilfe dieser neuen Bio-Nano-Elektrode soll sich Wasser doppelt so effizient spalten lassen wie mit einer Eisenoxidelektrode. Durch Wasserspaltung in photoelektrochemischen Zellen Wasserstoff zu erzeugen, ist ein viel versprechender Weg hin zu nachhaltigen Kraftstoffen, wie die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (kurz Empa genannt) mitteilt. Auch bei der natürlichen Photosynthese spielen Algenproteine demnach eine entscheidende Rolle.

Für die nachhaltige Energieerzeugung sei die Photosynthese von großer Bedeutung. Denn sie wandelt Sonnenenergie direkt in speicherbaren Kraftstoff um. Als Ausgangsstoffe benötigt sie lediglich Kohlendioxid und Wasser. Schon lange versuchen Wissenschaftler, die Prozesse der natürlichen Photosynthese nachzuahmen und technisch zu nutzen. So können beispielsweise photoelektrochemische Zellen (PEC) Wasser mithilfe von Solarenegie elektrochemisch spalten und dadurch Wasserstoff direkt erzeugen.

Gewöhnlich werden laut Empa die in PEC verwendeten Elektroden aus Halbleitern - etwa Metalloxiden - hergestellt, von denen einige photokatalytisch wirken. Forscher der Empa-Abteilung "Hochleistungskeramik" untersuchen Nanopartikel dieser Werkstoffe - beispielsweise Titandioxid. Ziel ist, Luft und Wasser von organischen Schadstoffen zu reinigen. Nun ist es den Empa-Wissenschaftlern mit Kollegen 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 den bisher genutzten Eisenoxidelektroden. Die neue Nano-Bio-Elektrode besteht aus Eisenoxidpartikeln, an die ein Protein aus Blaualgen (Cyanobakterien) gekoppelt ist.

Das verwendete Eisenoxid, vor allem Hämatit, bezeichnet das Empa-Zentrum als vielversprechendes Material für PEC-Elektroden. Es absorbiert auch den sichtbaren Teil Sonnenlichts und nutzt es dadurch effizienter als Titandioxid, das lediglich den ultravioletten Anteil des Sonnenlichtes verwenden kann. Der zweite Bestandteil der neuen 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 mithilfe von Keramik und eben diesen Proteinen die Photosynthese sozusagen nachbauen", berichtet Dabajeet K. Bora. Er entwickelte im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Empa die neue Elektrode. "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 Photoen als ohne Protein, berichtet die Anstalt. Der Photostrom der hybriden Elektrode habe sich im Vergleich zu einer normalen Elektrode aus Eisenoxid verdoppelt.

Überrascht sind die Forscher darüber hinaus, dass der Proteinkomplex während des Betriebs der PEC nicht zerstört wurde - und das, obwohl er in alkalischer Umgebung und unter Lichteinfluss in direkten Kontakt mit einem Photokatalysator gekommen sei. "Photokatalysatoren sind darauf ausgelegt, umweltbelastende Kohlenwasserstoffe zu zerstören. Hier haben wir jedoch eine andere Situation", erläutert 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." Metadaten anzeigen: Autor verbergen | Schlagworte