用于燃料电池和水电解的无铂生物催化剂

一种酶可以让能源行业的梦想成真：它可以有效地利用电力生产氢气，也可以利用氢气发电。通过将酶嵌入聚合物中来保护酶。一个由慕尼黑工业大学 (TUM) 的科学家大力参与的国际研究团队在科学杂志《自然催化》上介绍了该系统。

燃料电池将氢气转化为电能，而电解槽则利用电能将水分解以产生氢气。两者都需要稀有且昂贵的贵金属铂作为催化剂。大自然创造了一个不同的解决方案：酶，简称氢化酶。它们非常快速地催化氢气的转化，几乎没有能量损失。

然而，在过去，这些生物催化剂由于对氧的高敏感性而被认为不适用于工业用途。现在，来自慕尼黑工业大学 (TUM)、波鸿鲁尔大学 (RUB)、马赛法国国家科学研究中心 (CNRS) 和马克斯-普朗克化学能转换研究所的研究小组成功地嵌入了敏感的保护性聚合物中的酶，使其可用于技术氢转化。

耐用性与活动性

“当敏感的氢化酶嵌入合适的聚合物中时，即使在有氧气存在的情况下，它们也能继续工作数周，”TUM 校园施特劳宾生物技术和可持续性的电生物技术教授 Nicolas Plumeré 说。“没有这种保护，他们会在几分钟内失去活动。”

将氢化酶嵌入侧链可以转移电子的聚合物(称为氧化还原聚合物)中具有两个决定性的缺点：高水平的电阻抵消了电子通过氧化还原聚合物的流动。这需要能量的投资，然后以热量的形式损失掉。并且嵌入的氢化酶完全失去了产生氢气的能力。

微调潜力

通过巧妙地选择正确的聚合物侧链，研究团队现在成功地设置了聚合物的氧化还原电位，只需很小的过电压即可克服电阻。

随后更详细的研究表明，由于嵌入聚合物基质中，侧链的电位略微变为正值。在进一步的尝试中，他们使用了具有相应负电位的侧链。这个技巧是一个突破：氢化酶现在能够在两个方向上催化反应而不会损失能量。

用于氢气转化的生物催化剂

利用该系统，研究小组随后构建了一个燃料电池，其中氧气被疣状菌的胆红素氧化酶还原，而聚合物膜中嵌入的氢化酶氧化脱硫弧菌脱硫菌中的氢气，并在此过程中发电.

该电池达到了一个值，开路电压为 1.16 V，这是此类系统测得的最高值，接近热力学最大值。在每平方厘米三毫安的情况下，该电池同时为生物细胞实现了非常高的功率密度。

该系统还可用于逆反应，通过消耗电子产生氢气：即使功率密度超过每平方厘米 4 毫安，能量转换效率也接近 100%。

新型生物催化剂的蓝图

“减少能量损失有两个决定性的优势，”Nicolas Plumeré 说。“首先，它使系统效率显着提高;其次，高性能水平的燃料电池堆中产生的热量会给生物系统带来问题。”

为了使他们的系统与使用铂基催化剂的系统竞争，该团队正在进行的研究现在集中在提高氢化酶在更高功率密度下的稳定性。

此外，这些发现还可以转移到其他高活性但敏感的催化剂上，用于能量转换和电合成。这里的直接目标主要是减少二氧化碳的酶，这些酶可以利用电力从二氧化碳中生产液体燃料或中间产品。

该研究由欧洲研究委员会 (ERC)、法国国家科学研究中心 (CNRS) 和艾克斯马赛大学、德国研究基金会 (DFG) 与法国国家机构联合资助Recherche、DFG 优先计划“铁 - 生命硫” (SPP 1927)、马克斯普朗克学会以及联邦教育和研究部 (BMBF) 在卓越战略下的 RESOLV 卓越集群联邦政府和德意志联邦州。