Una enzima podría hacer realidad un sueño para la industria energética: puede producir hidrógeno de manera eficiente utilizando electricidad y también puede generar electricidad a partir de hidrógeno. La enzima está protegida al incrustarla en un polímero. Un equipo de investigación internacional con una participación significativa de científicosde la Universidad Técnica de Munich TUM ha presentado el sistema en la revista científica Catálisis de la naturaleza .
Las pilas de combustible convierten el hidrógeno en electricidad, mientras que los electrolizadores utilizan la electricidad para dividir el agua y producir hidrógeno. Ambos necesitan el raro y, por tanto, caro metal precioso platino como catalizador. La naturaleza ha creado una solución diferente: las enzimas, denominadas hidrogenasas. Catalizanla conversión de hidrógeno muy rápidamente y casi sin pérdida de energía.
Sin embargo, en el pasado, estos biocatalizadores no se consideraban adecuados para uso industrial debido a su alta sensibilidad al oxígeno. Ahora, un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Múnich TUM, Ruhr-Universität Bochum RUB, el Centro Nacional Francésfor Scientific Research CNRS en Marsella y el Instituto Max-Planck para la Conversión de Energía Química ha logrado incrustar las enzimas sensibles en un polímero protector de una manera que las hace viables para su uso en la conversión técnica de hidrógeno.
Durabilidad frente a actividad
"Cuando las hidrogenasas sensibles están incrustadas en polímeros adecuados, continúan funcionando durante varias semanas, incluso en presencia de oxígeno", dice Nicolas Plumeré, profesor de Electrobiotecnología en el TUM Campus Straubing for Biotechnology and Sustainability. "Sin esta protección,pierden su actividad en cuestión de minutos ".
Incrustar las hidrogenasas en polímeros cuyas cadenas laterales pueden transferir electrones, denominados polímeros redox, tenía, sin embargo, dos desventajas decisivas: un alto nivel de resistencia contrarrestaba el flujo de electrones a través del polímero redox. Esto requería la inversión de energía que entonces eraperdido en forma de calor. Y las hidrogenasas incrustadas perdieron por completo su capacidad de generar hidrógeno.
potencial de ajuste fino
Con una selección inteligente de las cadenas laterales de polímero correctas, el equipo de investigación ha logrado establecer el potencial redox del polímero de tal manera que solo se necesita una pequeña sobretensión para superar la resistencia.
Investigaciones más detalladas revelaron entonces que el potencial de las cadenas laterales se había desplazado ligeramente a valores positivos debido a la incrustación en la matriz del polímero. En un intento adicional, utilizaron una cadena lateral con un potencial negativo correspondiente. Este truco fue el gran avance:La hidrogenasa ahora era capaz de catalizar la reacción en ambas direcciones sin pérdida de energía.
Biocatalizador para conversión de hidrógeno
Utilizando este sistema, el equipo de investigación luego construyó una celda de combustible, en la que el oxígeno es reducido por la enzima bilirrubina oxidasa de la bacteria Myrothecium verrucaria, mientras que la hidrogenasa incrustada en la película de polímero oxida el hidrógeno de la bacteria desulfovibrio desulfuricans, generando electricidad enel proceso.
La celda alcanzó un valor, con un voltaje de circuito abierto de 1,16 V, el más alto jamás medido para un sistema de este tipo y cercano al máximo termodinámico. Con tres miliamperios por centímetro cuadrado la celda alcanzó una densidad de potencia muy alta para sistemas biológicoscélulas al mismo tiempo.
El sistema también se puede usar para la reacción inversa, produciendo hidrógeno al consumir electrones: la eficiencia de conversión de energía es cercana al 100 por ciento, incluso con densidades de potencia de más de cuatro miliamperios por centímetro cuadrado.
Proyecto para nuevos biocatalizadores
"La reducción en la pérdida de energía tiene dos ventajas decisivas", dice Nicolas Plumeré. "Primero, hace que el sistema sea significativamente más eficiente; segundo, el calor generado en una pila de celdas de combustible a altos niveles de rendimiento plantearía un problema para los sistemas biológicos. "
Para hacer que su sistema sea competitivo con los sistemas que utilizan catalizadores basados en platino, la investigación en curso del equipo ahora se centra en mejorar la estabilidad de las hidrogenasas a densidades de potencia más altas.
Además, los hallazgos también se pueden transferir a otros catalizadores altamente activos pero sensibles para la conversión de energía y la electrosíntesis. Los objetivos directos aquí son principalmente enzimas reductoras de dióxido de carbono que pueden usar electricidad para producir combustibles líquidos o productos intermedios a partir de dióxido de carbono.
La investigación fue financiada por una beca de partida del European Research Council ERC, por el French Centre National de la Recherche Scientifique CNRS y la Aix Marseille Université, la financiación conjunta de la German Research Foundation DFG con la Agence Nationalede la Recherche, el programa prioritario de la DFG "Hierro - Azufre para la vida" SPP 1927, la Sociedad Max Planck y en el caso del clúster de excelencia RESOLV del Ministerio Federal de Educación e Investigación BMBF en el marco de la Estrategia de Excelenciadel Gobierno Federal y de los Estados Federales de Alemania.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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