Neues Konzept für eine lichtgetriebene Biobrennstoffzelle

Neues Konzept für eine lichtgetriebene Biobrennstoffzelle

19.01.2016
© Smileus, Fotolia.com
Die Fotosynthese der Pflanzen ist Vorbild für die Biobrennstoffzelle des Bochumer-Jerusalemer Teams.

Chemiker haben einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einer lichtgetriebenen Biobrennstoffzelle gemacht. Es gelang ihnen, Biomoleküle und künstliche Komponenten so zu koppeln, dass sie effizient Strom leiten.

Natur als Vorbild

Mit Biobrennstoffzellen könnte sich elektrische Energie erzeugen lassen, ohne dass teure Katalysatoren nötig sind. Eine Herausforderung dabei ist es, Biomoleküle so mit künstlichen Komponenten zu koppeln, dass Strom möglichst effizient fließen kann.

An der RUB geht das Team um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der Frage nach, wie das gelingen kann. Gemeinsam mit Kollegen der Hebrew-Universität in Jerusalem beschreiben die Forscher in der Zeitschrift „Nature Energy“ ein neues Konzept für eine lichtgetriebene Biobrennstoffzelle.

Vorbild für ihre Methode ist die Natur: Pflanzen besitzen lichtsensitive Proteine – die Fotosysteme –, mit deren Hilfe sie Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Bei Lichteinfall werden Elektronen im Fotosystem angeregt und über eine Transportkette an andere Proteine weitergegeben. Die Energie aus diesem Prozess nutzen Pflanzen, um bestimmte chemische Reaktionen anzutreiben.

Biomoleküle und künstliche Komponenten koppeln

Würde man die angeregten Elektronen nicht für solche chemischen Reaktionen nutzen, sondern auf eine Elektrode weiterleiten, könnte man mit dem Prinzip Strom erzeugen. Genau das macht die Brennstoffzelle, die das Team aus Jerusalem und Bochum entwickelte.

Die Biochemiker koppelten ein pflanzliches Fotosystem über ein Relay-Molekül an eine Elektrode. Fällt Licht auf das Fotosystem, wird ein Elektron in einen angeregten Zustand versetzt und auf das Relay-Molekül übertragen. Dieses Molekül wiederum leitet das Elektron an die Elektrode weiter, wo es in einen Stromkreislauf eintritt.

Anschließend fehlt dem Fotosystem jedoch ein Elektron. Um das Loch zu füllen, fügten die Forscher weitere Komponenten in ihr System ein. Sie koppelten das Fotosystem über ein zweites Relay-Molekül mit einem Enzym, das Glucose in Gluconsäure umwandelt. Bei diesem Prozess werden Elektronen frei. Diese Elektronen können über das zweite Relay-Molekül zum Fotosystem wandern und dort die entstandenen Elektronenlöcher auffüllen.

Das System wandelt somit Lichtenergie in elektrische Energie um und regeneriert sich durch die Umsetzung von Glukose selbst. Dass sich eine solche Biobrennstoffzelle tatsächlich realisieren lässt, zeigte das Bochumer-Jerusalemer Team in der „Nature Energy“-Studie.

 

Originalveröffentlichung

A. Efrati, C.-H. Lu, D. Michaeli, R. Nechushtai, S. Alsoub, W. Schuhmann, I. Willner (2016): Assembly of photo-bioelectrochemical cells using photosystem I-functionalised electrodes, Nature Energy, DOI: 10.1038/nenergy.2015.21

Text: Julia Weiler

Weitere Informationen

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Lehrstuhl für Analytische Chemie – Elektroanalytik und Sensorik, Zentrum für Elektrochemie, Fakultät für Chemie und Biochemie, Tel. 0234/32-26200 wolfgang.schuhmann@rub.de