Biocatalysts are promising materials for the switch to renewable energies. But what works in the laboratory does not necessarily mean a breakthrough for industrial applications: a research team from the Center for Electrochemical Sciences (CES) at RUB discusses hurdles that have to be overcome in the journal Nature Catalysis from 25 November 2019, focusing on two main research fields: the development of bioelectrodes for hydrogen oxidation for biofuel cells and the development of efficient biophotoelectrodes for the solar-assisted synthesis of chemicals and regenerative fuels.
Enzymes as catalysts
The effectiveness and selectivity of biological catalysts have been continuously optimised by nature over millions of years. Redox proteins are a special class of these enzymes, as they catalyse not only purely chemical reactions but also reactions coupled to an electron transfer. "In this respect, the analogy to reactions such as those used in industrial electrocatalytic processes such as hydrogen oxidation or oxygen reduction on precious metals in fuel cells is of great importance," says Professor Wolfgang Schuhmann from the Center for Electrochemical Sciences at RUB. Another essential class are light-activated enzymes that are activated by light irradiation and can generate an electron flow, in the same way as semiconducting materials. A key factor is that such enzymes contain active centres which, in contrast to catalysts based on precious metals and purely inorganic semiconductor materials, are made up of elements that are abundantly present in nature.
Only a few applications to date
Because of these properties, such biological systems constitute promising model compounds or even alternatives for future catalyst and semiconductor technologies. "However, to date only a few specific electrocatalytic applications have been implemented by bioelectrocatalytic methods," says Wolfgang Schuhmann. The properties of the enzymes themselves and the use of special and complex electrode architectures, which are necessary for the development of powerful and thus competitive processes, curtail such processes.
In the review article, the RUB team discusses the limitations and hurdles to be overcome for the technological use of hydrogenase-based bioelectrodes for hydrogen oxidation and efficient biophotoelectrodes based on protein complexes from photosynthesis, photosystem I and II, as well as bacterial photoactive centres.
Enzymes immobilise and protect
The essential aspect for the structure and design of bioelectrodes is the electrical connection of enzymes to the electrode surface. The authors describe how specifically synthesised redox polymers not only immobilise and electrically wire the enzymes, but also protect them from harmful substances such as oxygen.
In addition, the team outlines approaches that facilitate deployment in processes on a large scale. "Here, we are paying particular attention to the potential of synthetic enzymes, which are regarded as a major step towards potential applications," says Dr. Adrian Ruff from the project team. Technological approaches such as the introduction of special electrode materials, the use of gas diffusion electrodes to increase mass transport, or special immobilisation methods such as the directed binding of photoactive enzymes using the Langmuir-Blodgett technique are also discussed.
Additional Information
Original Publication: Adrian Ruff, Felipe Conzuelo, Wolfgang Schuhmann: Biocatalysis as the basis for the design of enzyme-based biofuel cells and semi-artificial biophotoelectrodes, in: Nature Catalysis, 2019, DOI: 10.1038/s41929-019-0381-9
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Bioelektrokatalyse als Basis für die Energiewende
Die Forschung ist heute bereits weit, aber noch stehen dem Durchbruch einige Hindernisse im Wege.
Biokatalysatoren sind Hoffnungsträger für den Umstieg auf erneuerbare Energien. Doch was im Labor funktioniert, bedeutet nicht unbedingt schon den Durchbruch für die Praxis: Ein Forschungsteam des Zentrums für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) diskutiert zu überwindende Hürden in der Zeitschrift Nature Catalysis vom 25. November 2019 anhand zweier Hauptforschungsfelder: der Entwicklung von Bioelektroden für die Wasserstoffoxidation für Biobrennstoffzellen sowie der Entwicklung von effizienten Biofotoelektroden zur solargestützten Synthese von Chemikalien und regenerierbaren Brennstoffen.
Enzyme als Katalysatoren
Die Effektivität und Selektivität biologischer Katalysatoren wurden von der Natur über Millionen von Jahren stetig optimiert. Eine besondere Klasse dieser Enzyme sind die Redoxproteine, die nicht nur rein chemische, sondern an Elektronentransfer gekoppelte Reaktionen katalysieren. "Hier ist die Analogie zu Reaktionen, wie sie auch in industriellen elektrokatalytischen Prozessen wie der Wasserstoffoxidation oder Sauerstoffreduktion an Edelmetallen in Brennstoffzellen genutzt werden, von großer Bedeutung", so Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der RUB. Eine weitere wichtige Klasse sind lichtaktive Enzyme, die ähnlich wie Halbleitermaterialien durch Lichteinstrahlung aktiviert werden und einen Elektronenfluss erzeugen können. Besonders bedeutend ist, dass solche Enzyme aktive Zentren enthalten, die, im Gegensatz zu Katalysatoren auf Edelmetallbasis und rein anorganischen Halbleitermaterialien, aus Elementen aufgebaut sind, die in der Natur reichlich vorhanden sind.
Bisher nur wenige Anwendungen
Diese Eigenschaften machen solche biologischen Systeme zu vielversprechenden Modellverbindungen oder sogar zu Alternativen für zukünftige Katalysator- und Halbleitertechnologien. "Allerdings konnten bis heute nur wenige spezifische elektrokatalytische Anwendungen durch bioelektrokatalytische Ansätze umgesetzt werden", so Wolfgang Schuhmann. Grenzen setzen solchen Verfahren zum einen die Eigenschaften der Enzyme selbst und zum anderen die Verwendung spezieller und komplexer Elektrodenarchitekturen, die für die Entwicklung von leistungsstarken und somit konkurrenzfähigen Prozessen nötig sind.
Im dem Übersichtsartikel diskutiert das Team der RUB anhand von zwei Hauptforschungsfeldern die für eine technologische Nutzung zu überwindenden Limitierungen und Hürden: für die Entwicklung von auf Hydrogenasen basierenden Bioelektroden für die Wasserstoffoxidation und von effizienten Biofotoelektroden, basierend auf den Proteinkomplexen aus der Photosynthese, Photosystem I und II, sowie bakteriellen fotoaktiven Zentren.
Enzyme immobilisieren und schützen
Was den Aufbau und das Design von Bioelektroden angeht, kommt es vor allem auf die elektrische Anbindung der Enzyme an die Elektrodenoberfläche an. Die Autoren beschreiben, wie gezielt synthetisierte Redoxpolymere die Enzyme nicht nur immobilisieren und elektrisch anbinden, sondern auch vor schädlichen Substanzen wie Sauerstoff schützen können.
Außerdem stellt das Team Ansätze vor, die einen Einsatz in Prozessen auf großer Skala erlauben. "Hier richten wir unser besonderes Augenmerk auf die Möglichkeiten synthetischer Enzyme, die als großer Schritt in Richtung potenzieller Anwendungen gelten", so Dr. Adrian Ruff vom Projektteam. Auch technische Ansätze, wie beispielsweise die Einführung von speziellen Elektrodenmaterialien, die Verwendung von Gasdiffusionselektroden zur Erhöhung des Massentransports oder von speziellen Immobilisierungsmethoden wie die gerichtete Anbindung von fotoaktiven Enzymen mittels der Langmuir-Blodgett-Technik werden diskutiert.
Zusätzliche Information
Originalveröffentlichung: Adrian Ruff, Felipe Conzuelo, Wolfgang Schuhmann: Biocatalysis as the basis for the design of enzyme-based biofuel cells and semi-artificial biophotoelectrodes, in: Nature Catalysis, 2019, DOI: 10.1038/s41929-019-0381-9