„Ein Hauch frischer Luft“

Fortschritte in der Katalyseforschung: Sauerstoffstabile Hydrogenasen

Einem Forscherteam der beiden Mülheimer Max-Planck-Institute für Chemische Energiekonversion (CEC) und Kohlenforschung (KoFo) ist es einer Medienmitteilung vom 23.05.2018 zufolge gelungen, natürlich vorkommende Katalysatoren (Hydrogenasen) für die Anwendung im Rahmen der Wasserstoffherstellung zu optimieren.

Wasserstoff als Energieträger

Schon seit langem gilt Wasserstoff als geeigneter Energieträger: Er kann mittels Wasserspaltung hergestellt werden, idealerweise mit Erneuerbaren Energiequellen und effizienten Katalysatoren, mit deren Hilfe Wasser (H₂O) in  Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgespaltet werden. H₂ kann dann als Brennstoff gespeichert und in einer Brennstoffzelle verbraucht (oder für weitere Reaktionen wie etwa Methanol oder synthetische Treibstoffe eingesetzt) werden, um bei Bedarf Elektrizität zu erzeugen; dabei entsteht lediglich Wasser als „Abfall“. Diese bereits verfügbare Technologie kann hohe Wirkungsgrade erreichen. Leider basieren die benötigten Katalysatoren aber auf seltenen und teuren Metallen wie Platin.

Bio-Wasserstoff

Die Natur verwendet ebenfalls H₂ als Brennstoff, als Katalysatoren nutzt sie jedoch anstelle der Edelmetalle lebende Organismen, die Enzyme. Katalysatoren ihrer Wahl für die H₂-Umsetzung sind die sogenannten Hydrogenasen. Das aktive Zentrum dieser Enzyme enthält häufig vorkommende, preiswerte Metalle, wie Nickel und/oder Eisen, und kann ebenso effizient arbeiten wie Platin. Hydrogenasen sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff und können nicht an der Luft verwendet werden, was ihre Handhabung erschwert und daher ihre Anwendung in der Technologie einschränkt.

Herstellung von „leicht zu handhabenden“ Hydrogenasen

Kürzlich hat ein Team um Patricia Rodríguez Maciá und James Birrel aus beiden Mülheimer Max-Planck-Instituten (Mülheim Chemistry Campus*) einen Weg gefunden, diese empfindlichen Enzyme vor Sauerstoffschäden zu schützen. Die Behandlung der Hydrogenasen mit starken Oxidationsmitteln in Gegenwart von Sulfid wandelte diese in eine sauerstoffstabile Form um. Spektroskopische und elektrochemische Methoden wurden verwendet, um den gebildeten sauerstoffstabilen Zustand zu charakterisieren. Das sauerstoffstabile Enzym kann dann an der Luft gelagert und gehandhabt werden. Dies macht es leicht, das Enzym in Brennstoffzellen oder in der elektrolytischen oder photolytischen Wasserspaltung zu verwenden.

Grünalgenart Chlamydomonas reinhardtii, aus der 2012 die untersuchte [FeFe]-Hydrogenase isoliert wurde – Bild © MPI CEC-RUB

[FeFe]Hydrogenasen katalysieren die Protonenreduktion und Wasserstoffoxidation mit hoher Geschwindigkeit und Effizienz unter physiologischen Bedingungen, sind aber sehr sauerstoffempfindlich. Die[FeFe] Hydrogenase aus Desulfovibrio desulfuricans (DdHydAB) kann unter Luft in einem sauerstoffstabilen inaktiven Zustand H_ox^air gereinigt werden. Die Bildung des H_ox^air-Zustandes in vitro ermöglicht die Handhabung von Hydrogenasen in der Luft und macht deren Einsatz in biotechnologischen Anwendungen möglich. Rodríguez-Maciá et al. berichten über ein einfaches und robustes Protokoll zur Bildung des H_ox^air-Zustandes in DdHydAB und der [FeFe]Hydrogenase aus der Grünalgenart Chlamydomonas reinhardtii, das auf einer hochpotenziellen Inaktivierung in Gegenwart von Sulfid basiert.

Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt für die technologische Verwendung der Hydrogenasen sowie für die Aufklärung des Mechanismus der Sauerstoffinaktivierung dar und liefern auch Hinweise zum Schutz synthetischer molekularer Katalysatoren für die Wasserstoffnutzung und -erzeugung. Die Arbeit setzte auf früheren Untersuchungen (teilweise seit 2012 – siehe auch: solarify.eu/schutzschild-fur-empfindliche-katalysatoren) auf und wurde von der Max-Planck-Gesellschaft und dem Exzellenzcluster RESOLV (EXC1069) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

[note *)Der Mülheimer Chemistry Campus hat mit dem Wechsel von CEC-Direktor Frank Neese an das benachbarte Max-Planck-Institut für Kohlenforschung am 01.01.2018 seine Arbeit aufgenommen. Er übernahm die Position des emeritierten Direktors Walter Thiel und leitet die Abteilung Molekulare Theorie und Spektroskopie. Auch seine CEC-Forschungsgruppe wechselt ans Nachbarinstitut. Synergien zwischen den beiden Max-Planck-Instituten werden neu geschaffen und verstärkt. Auch der im vergangenen Jahr berufene CEC-Direktor Walter Leitner hat eigene Forschungsaktitiväten am Nachbarinstitut aufgenommen und es wurde ein sogenannter „Joint Workspace“ geschaffen, der die barrierefreie Kooperation zwischen den beiden Instituten ermöglicht. Frank Neeses Fachgebiet ist die Berechnung der Elektronenstruktur großer Moleküle. Sein Team wird neben der Entwicklung eigener Methoden intensiv mit den Forschungsabteilungen der Kohlenforschung zusammenarbeiten, um zur Lösung noch offener Fragestellungen beizutragen. Dabei bringt er mit seinen Fachleuten der Spektroskopie eine deutliche Erweiterung des analytischen Instrumentariums an das Institut.]