De structuur van een hydrogenase van de Desulfovibrio desulfuricans-bacterie met een kern van zwavel en ijzer (afb: James Birrell)
Heel veel jaren geleden, waarschijnlijk in de jaren 80, was ik in Duitsland op bezoek bij onderzoekers die een systeem hadden gebouwd waarbij micro-organismen (bacteriën) waterstof produceerden. Dat schijnt destijds niet het verwachte resultaat te hebben opgeleverd. Waterstof wordt gezien als ‘groene’ energiedrager, maar voor de productie daarvan wordt vaak de energievretende elektrolyse gebruikt. Hoezo groen? Onderzoekers van, onder meer, de Ruhr-universiteit in Bochum denken nu de ‘natuurlijke’ oplossing gevonden te hebben. Ze hebben daarmee meteen maar een biologische brandstofcel gemaakt.
Waterstof kan in brandstofcellen worden omgezet in elektrische energie. Die gebruiken meestal dure en uitputbare materialen als platina en nikkel. Daar wordt overigens al vele jaren aan gewerkt zonder dat dat heeft geleid tot een Eureka-moment.
Er bestaan enzymen die waterstof produceren: hydrogenases. Die zorgen vrij snel en zonder veel energieverlies voor de productie van waterstof. Die blijken echter nogal gevoelig voor zuurstof en zijn dus niet erg geschikt voor grootschalige toepassing. Nu hebben onderzoekers die zuurstofgevoelige enzymen ingebed in een polymeer, zodat die zuurstofgevoeligheid veel minder pregnant zou zijn.
“Als die gevoelige hydrogenases worden ingebed, dan fungeren ze enkele weken zelfs in de aanwezigheid van zuurstof”, zegt Nicolas Plumeré van de TU München. “Zonder die bescherming zouden ze binnen enkele minuten inactief zijn.”
Redoxpolymeren
Die beschermende polymeren bevatten zijketens die elektronen (kunnen) afstaan. Ze worden dan ook wel aangeduid met redoxpolymeren. Die hebben echter twee grote nadelen. Een hoge weerstand belemmert die elektronenoverdracht. Dat vereist energie die verloren gaat in de vorm van warmte. Buitendien verliezen de hydrogenases in die redoxpolymeren hun vermogen om de vorming van waterstof te katalyseren.
Het blijkt dat bepaalde zijketens van die polymeren die bezwaren kunnen wegnemen, waarbij slechts een geringe toevoer van energie nodig is om de weerstand te neutraliseren. Bij nadere bestudering van deze kandidaten bleek dat het potentiaal van de zijketens lichtelijk was veranderd in positieve waarden door de inbedding in de polymeermatrix. Een zijketen met een negatieve potentiaal bleek de oplossing: de (ingebedde) hydrogenase bleek nu netjes de waterstofvormingsreacties te stimuleren zonder energieverlies.
Vervolgens bouwden de onderzoekers een geheel biologische brandstofcel, waarin zuurstof werd gereduceerd door het enzym bilirubineoxidase (van de bacterie Myrothecium verrucaria), terwijl de hydrogenase ingebed in het redoxpolymeer waterstof van de bacterie omzet in water, waarbij stroom wordt gegenereerd. In diit hele ‘biologische’ systeem zitten geen dure en beperkt beschikbare materialen als nikkel of platina.
De biologische brandstofcel ontwikkelde een spanning van 1,16 V, de hoogste tot nu toe met een dergelijk systeem en dat cijfer ligt in de buurt van het thermodynamisch maximum. Met een vermogensdichtheid van 3 mA/cm2 scoorde deze brandstof cel het hoogst van alle biologische systemen die tot nu toe ontwikkeld zijn, aldus de onderzoekers.
Het systeem kan ook worden gebruikt voor de productie van waterstof. Het energetisch rendement van het systeem zou nagenoeg 100%, zelfs bij vermogensdichtheden van meer dan 4 mA/cm2. Plumeré: “De reductie aan energieverlies heeft twee belangrijke voordelen. Daardoor is het systeem efficiënter en er wordt minder warmte geproduceerd hetgeen voor biologische systemen een probleem zou zijn.” Om hun systeem concurrerend te maken met omzettingssytemen waarbij platinakats worden gebruikt, werken de onderzoekers nu aan een verdere stabilisering van de hydrogenases en aan hogere vermogensdichtheden.
De onderzoekers denken dat hun onderzoek ook gevolgen kan hebben voor andere onderzoeksterreinen. Zo zouden bepaalde enzymen kunnen worden gebruikt om kooldioxide om te zetten in biobrandstoffen (of dat ‘handig’ is, is een tweede) of andere organische producten.
Bron: Alpha Galileo