Фермент может служить биокатализатором в электролизных установках и топливных элементах, заменяя дорогостоящую платину в качестве катализатора. Биокатализаторы ранее считались слишком нестабильными, поскольку они сильно реагируют с кислородом. Поэтому для защиты фермента его встраивают в полимер для использования в топливных элементах или электролизерах. Это позволяет его использовать не только в лабораторных, но и в технических условиях. Команда из Технического университета Мюнхена (ТУМ), Рурского университета Бохума, CNRS Марселя и Института химического преобразования энергии имени Макса Планка в Мюльхайм-ан-дер-Рур представила такую систему в научном журнале Nature Catalysis.
Давно известны специальные ферменты, обладающие потенциалом для водородной экономики, так называемые гидрогеназы. Они катализируют превращение водорода очень быстро и почти без потери энергии.
«Если встроить чувствительные гидрогеназы в подходящие полимеры, они будут работать в течение нескольких недель даже в присутствии кислорода», — говорит Николя Плюмере, профессор электробиотехнологии в Кампусе биотехнологии и устойчивого развития ТУМ Штраубинг. «Без этой защиты они теряют свою активность в течение нескольких минут».
Идея встраивания их в так называемые окислительно-восстановительные полимеры также не нова. Это пластмассы, молекулы которых имеют боковые группы, способные переносить электроны. Однако даже эти специальные пластики до сих пор представляли собой слишком большой барьер для потока электронов. Чтобы преодолеть его, большое количество энергии теряется в виде тепла. Встроенные гидрогеназы даже полностью утрачивают способность производить водород.
Умело подбирая и комбинируя боковые группы полимера, исследовательской группе удалось настроить окислительно-восстановительный потенциал полимера таким образом, что сопротивление можно было преодолеть лишь при небольшом перенапряжении. На следующем этапе они добились того, что гидрогеназа катализирует процесс в обоих направлениях.
С помощью этой системы исследовательская группа интегрировала фермент в биологический топливный элемент. Фермент билирубин оксидаза уменьшает кислород бактерии Myrothecium verrucaria. Гидрогеназа, встроенная в полимерную пленку, окисляет водород из бактерии Desulfovibrio desulfuricans, тем самым вырабатывая электроэнергию.
Напряжение холостого хода топливного элемента достигает 1,16 вольт. Это самое высокое значение, когда-либо измеренное для такой системы, и оно близко к термодинамическому максимуму, согласно данным TUM. Плотность тока в ячейке составляла три миллиампера на квадратный сантиметр — по данным TUM, это значение является очень высоким для биологических ячеек.
Система также может быть использована для обратной реакции — производства водорода путем поглощения электронов: ее эффективность преобразования энергии близка к 100 процентам даже при плотности тока более четырех миллиампер на квадратный сантиметр.
«Сокращение потерь энергии имеет два решающих преимущества», — говорит Николя Плюмере. «Это не только делает систему гораздо более эффективной. При высоких уровнях мощности тепло, вырабатываемое в топливных элементах, будет представлять проблему для биологических систем».
Прежде чем биотопливные элементы смогут конкурировать с системами на основе платины, необходимо повысить стабильность гидрогеназ при высоких плотностях тока. Команда надеется достичь этого на следующих этапах.
Кроме того, полученные результаты могут быть перенесены на другие высокоактивные, но чувствительные катализаторы. Очевидная цель: ферменты, которые непосредственно извлекают жидкое топливо или промежуточные продукты для его производства из углекислого газа с помощью электричества.
Биологические процессы для использования в энергетическом переходе исследуются и в других областях, например, для органической фотовольтаики или биоэнергетики. Однако в больших масштабах они в основном используются для получения биогаза. Здесь даже есть «Микроб года».
Источник: https://www.solarserver.de/2021/05/14/elektrolyse-und-brennstoffzelle-enzym-ersetzt-platin-als-katalysator/