Efficient catalysts for converting hydrogen into electricity in fuel cells for the energy transition are often based on expensive, rare metals such as platinum. The use of cheaper metals and biological components that work just as efficiently has so far shortened the service life of catalysts as they are sensitive to oxygen. A research team from Bochum and Marseille has succeeded in integrating such a catalyst within an extremely thin protective film of molecular building blocks that shields it from oxygen and thus makes its service life practically infinite while maintaining its ability to work efficiently. The team reports in the Journal of the American Chemical Society on 16 September 2019.
The researchers led by Professor Nicolas Plumeré from the Ruhr Explores Solvation (RESOLV) Cluster of Excellence at RUB worked on this study together with Dr. Vincent Fourmond and Dr. Christophe Léger from the Centre national de la recherche scientifique Marseille.
Thick layers are no good in practice
The teams have been working for some time on making efficient biocatalysts containing oxygen-sensitive hydrogenases last longer. "We developed a self-defence mechanism based on a conductive polymer film about five years ago," explains Nicolas Plumeré. "However, it was not possible to use the catalysts in practice," says the researcher.
In the current work, the researchers show that, even in a much thinner polymer film, the hydrogenases are safe from oxygen.
Defined protective layer made from tiny molecular spheres
The building blocks that make up the protective film are at the core of the new development. For this, the researchers use tiny spheres with a diameter of just five nanometres, all of which have an identical structure, known as dendrimers. This allowed them to precisely control the thickness of the resulting layer.
22,000 years of efficient catalysis
The researchers were surprised to observe that the thickness of the protective film has a significant effect on the service life of the catalyst: In a film three micrometres thick, a catalyst survives in the presence of oxygen for only around ten minutes. If the film is six micrometres thick, the service life can be extended to up to one year under the same conditions. "A further two micrometres in thickness theoretically extend the life of the catalyst to 22,000 years," say the researchers, amazed.
“This extreme longevity brings us another step closer to using such oxygen-sensitive biocatalysts in fuel cells,” says the research team.
Additional information
Original Publication: Huaiguang Li, Darren Buesen, Sebastien Dementin, Christophe Léger, Vincent Fourmond, Nicolas Plumeré: Complete protection of O2-sensitive catalysts in thin films, in: Journal of the American Chemical Society, 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b06790
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Wie man Biokatalysatoren unsterblich macht
Sauerstoff bedroht nachhaltige Katalysatoren, die Wasserstoff in Brennstoffzellen umwandeln. Forscher aus Bochum und Marseille haben ein Mittel dagegen entwickelt.
Effiziente Katalysatoren für die Umwandlung von Wasserstoff in Brennstoffzellen und andere Stoffe für die Energiewende basieren oft auf teuren und seltenen Metallen wie Platin. Der Einsatz günstigerer Metalle und biologischer Komponenten, die ebenso effizient funktionieren, brachte bislang eine verkürzte Lebensdauer der Katalysatoren mit sich, weil sie empfindlich gegen Sauerstoff sind. Einem Forschungsteam aus Bochum und Marseille ist es gelungen, einen solchen Katalysator mit einem extrem dünnen Schutzfilm aus molekularen Bausteinen auszustatten, der ihn vor Sauerstoff abschirmt und seine Lebensdauer damit praktisch unendlich macht. Dabei arbeitet der Katalysator trotzdem effizient. Das Team berichtet im Journal of the American Chemical Society vom 16. September 2019.
Die Forscherinnen und Forscher um Prof. Dr. Nicolas Plumeré vom Exzellenzcluster Ruhr explores solvation, kurz RESOLV, an der RUB arbeiteten in dieser Studie zusammen mit Dr. Vincent Fourmond und Dr. Christophe Léger vom Centre national de la recherche scientifique Marseille.
Dicke Schichten taugen in der Praxis nicht
Die Teams arbeiten seit Längerem daran, effiziente Biokatalysatoren, die sauerstoffempfindliche Hydrogenasen enthalten, langlebiger zu machen. "Vor etwa fünf Jahren haben wir einen Selbstverteidigungsmechanismus entwickelt, der auf einem leitfähigen Polymerfilm basiert", erklärt Nicolas Plumeré. "Für die Praxis waren die Katalysatoren aber nicht zu gebrauchen. Die Polymerfilme waren mit über 100 Mikrometern so dick, dass sie die Effizienz behindert haben." In der aktuellen Arbeit zeigen die Forscher, dass die Hydrogenasen auch in einem viel dünneren Polymerfilm sicher vor Sauerstoff sind.
Definierte Schutzschicht aus winzigen Kugeln
Kern der neuen Entwicklung sind die Bausteine, aus denen der Schutzfilm aufgebaut ist. Die Forscher nutzen dafür winzige Kugeln mit nur fünf Nanometern Durchmesser, die alle identisch aufgebaut sind, sogenannte Dendrimere. So konnten sie die Dicke der entstehenden Schicht genau kontrollieren.
22.000 Jahre effiziente Katalyse
Die Forscher waren überrascht zu beobachten, dass die Dicke des Schutzfilms sich erheblich auf die Lebensdauer des Katalysators auswirkt: In einem drei Mikrometer dünnen Film überlebt ein Katalysator in Anwesenheit von Sauerstoff nur rund zehn Minuten. Wenn der Film sechs Mikrometer dick ist, verlängert sich die Lebensdauer unter denselben Bedingungen auf bis zu ein Jahr. "Weitere zwei Mikrometer Dicke zusätzlich verlängern das Leben des Katalysators theoretisch auf 22.000 Jahre", stellen die Forscher erstaunt fest.
"Diese extreme Langlebigkeit bringt uns einen weiteren Schritt näher an den Einsatz solcher sauerstoffempfindlichen Biokatalysatoren in Brennstoffzellen", so das Forschungsteam.
Zusätzliche Information
Ausführliche Presseinformation
Originalveröffentlichung: Huaiguang Li, Darren Buesen, Sebastien Dementin, Christoph Léger, Vincent Fourmond, Nicolas Plumeré: Complete Protection of O2-Sensitive Catalysts in Thin Films, in: Journal of the American Chemical Society, 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b06790