Bionische Katalysatoren zur Erzeugung sauberer Energie
Das Mischen von Mikroben mit Kohlenstoff-Nanomaterialien könnte den Übergang zu erneuerbaren Energien erleichtern. Die KAUST-Forschung zeigt, dass Mikroben und Nanomaterialien zusammen verwendet werden können, um ein Biohybridmaterial zu bilden, das als Elektrokatalysator gut funktioniert. Das Material könnte für die solarbetriebene Herstellung von kohlenstofffreien Kraftstoffen und für verschiedene andere Anwendungen im Bereich der grünen Energie verwendet werden.
Geobacter sulfurreducens ist ein elektrisches Bakterium, mit dem das Team die Oberfläche des reduzierten Graphenoxids dekorierte.
© 2019 KAUST
Mikroben und Nanomaterialien können kombiniert werden, um ein biohybrides Material zu erzeugen, das für breite Umweltanwendungen geeignet ist.
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Das Herzstück vieler Technologien für saubere Energien ist ein Prozess, der als Sauerstoff-Evolution-Reaktion (OER, oxygen-evolution reaction) bezeichnet wird. Bei der solaren Brennstofferzeugung beispielsweise ermöglicht die OER die Nutzung von Solarstrom, um Wassermoleküle in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten und so sauberen Wasserstoff zu erzeugen, der als Brennstoff verwendet werden kann. Derzeit werden seltene und teure Metalle als OER-Elektrokatalysatoren eingesetzt. Aber grafenbasierte Biohybridmaterialien könnten eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative sein, haben Pascal Saikaly und sein Team gezeigt.
Graphen - eine Kohlenstoffschicht, die nur eine einzige Schicht aus Atomen dick ist - und eng verwandtes reduziertes Graphenoxid sind hochleitfähig, mechanisch robust und weit verbreitet. Sie werden jedoch erst dann zu aktiven Katalysatoren, wenn sie mit anderen Elementen wie Schwefel, Eisen, Stickstoff oder Kupfer dotiert sind.
"Normalerweise werden grafenbasierte OER-Katalysatoren mit chemischen Methoden entwickelt, die strenge Reaktionsbedingungen erfordern, wie z.B. hohe Temperaturen und reichlich giftige Chemikalien", erklärt Shafeer Kalathil, ehemaliger Postdoc von Saikaly. Eine umweltfreundlichere Alternative ist die Verwendung von Mikroben zur Dekoration der Oberfläche des reduzierten Graphenoxids. "Wir haben das elektrische Bakterium Geobacter sulfurreducens verwendet, weil es nichtpathogen ist, reich an eisenhaltigen Proteinen und reichlich in der Natur", erklärt Kalathil.
Wenn das Team das Bakterium und das Graphenoxid unter sauerstofffreien Bedingungen vermischt, haften die Bakterienzellen an der Oberfläche und produzieren eisenreiche Proteine, die biochemisch mit dem Graphenoxid als Teil ihres natürlichen Stoffwechsels wechselwirken. Dadurch wird das reduzierte Graphenoxid mit Eisen, Kupfer und Schwefel veredelt und wird so zu einem hocheffizienten OER-Elektrokatalysator.
"Die vom Bakterium eingebrachten Elemente haben das katalytisch inerte Graphen in ein hochgradig elektrokatalytisches umgewandelt", sagt Kalathil. "Die OER-Aktivität des Biohybridmaterials übertraf die der Benchmark teurer metallbasierter OER-Katalysatoren", fügt er hinzu. Der Bonus ist die umweltfreundliche Methode, mit der das Team sie hergestellt hat.
Saikaly und sein Team arbeiten nun an der großtechnischen Produktion und Vermarktung dieses Biohybridkatalysators und entwickeln andere Arten von Biohybridkatalysatoren für andere wichtige elektrokatalytische Reaktionen, wie z.B. Wasserstoff-Evolutions- und Kohlendioxidreduktion.
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