Los investigadores de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) han desarrollado nuevas técnicas para acoplar eficazmente enzimas bacterianas a los electrodos. Junto con un equipo de la Universidad de Utah, realizaron un sistema para la síntesis de amoniaco basado en una enzima nitrogenasa. También diseñaron una celda de biocombustible de hidrógeno / oxígeno basada en una enzima hidrogenasa junto con un equipo del Instituto Max Planck para la Conversión de Energía Química. Ambos artículos han sido publicados en la revista Angewandte Chemie en mayo y junio de 2020.

Las enzimas potentes requieren condiciones especiales

Muchas enzimas que se encuentran en la naturaleza son potentes catalizadores, tales como las denominadas [FeFe] -hidrogenasas. Las bacterias utilizan hidrogenasas para producir hidrógeno, mientras que las nitrogenasas logran activar el enlace más fuerte de la naturaleza en el nitrógeno (N2). Ambas enzimas son muy sensibles al oxígeno, pero use metales no preciosos fácilmente disponibles en sus centros activos. Por lo tanto, algún día podrían reemplazar los costosos catalizadores de metales preciosos. "El uso de catalizadores tan sensibles para las células de biocombustible sigue siendo uno de los mayores desafíos en la conversión de energía sostenible, "dice el profesor Wolfgang Schuhmann, director del Centro RUB de Electroquímica y miembro del grupo de excelencia "Ruhr explora la solvación, "Resolv.

Célula de biocombustible realizada con enzima

En cooperación con el equipo del profesor Wolfgang Lubitz del Instituto Max Planck para la Conversión de Energía Química en Mülheim an der Ruhr, el grupo de Bochum mostró en qué circunstancias esto es posible. Utilizaron la denominada [FeFe] hidrogenasa de la bacteria Desulfovibrio desulfuricans. Aunque este es un catalizador muy eficiente, debe estar protegido en la celda de combustible del oxígeno requerido para el funcionamiento en el segundo electrodo.

En este trabajo, los científicos integraron la [FeFe] -hidrogenasa por primera vez en una celda de biocombustible operada con los llamados electrodos de difusión de gas. En esta celda el hidrógeno y el oxígeno se transportan a las enzimas a través de una membrana. El equipo incrustó la enzima en una matriz que consta de un polímero redox, que fija la enzima a la superficie del electrodo permeable al gas, protege la enzima de los efectos nocivos del oxígeno y también establece un contacto eléctrico entre la enzima y el electrodo. Con este diseño, la pila de combustible alcanzó altas densidades de corriente no obtenidas previamente de 14 miliamperios por centímetro cuadrado y altas densidades de potencia de 5,4 milivatios por centímetro cuadrado.

Proceso de base biológica para la producción de amoniaco

En el segundo proyecto, el equipo de investigación de RUB, junto con el grupo estadounidense dirigido por la profesora Shelley Minteer de la Universidad de Salt-Lake City, buscó una alternativa bioelectrosintética para la síntesis de amoniaco. En la industria química, El amoníaco se produce comúnmente utilizando el proceso Haber-Bosch a alta temperatura y alta presión y con una liberación considerable de CO. ₂ .

Algunas bacterias poseen enzimas, llamadas nitrogenasas, con el que fijan nitrógeno molecular (N2) y pueden metabolizarlo a temperatura ambiente y sin aumento de presión. Sin embargo, en los organismos vivos, esto consume mucha energía en forma de moléculas de almacenamiento de energía ATP.

El equipo de investigación demostró que es posible acoplar la nitrogenasa de la bacteria Azotobacter vinelandii con un electrodo a través del cual se pueden suministrar los electrones necesarios para la reacción. para que no se requiera ATP. Una vez más, la clave del éxito fue un polímero redox que ayudó a establecer un contacto eléctrico estable y eficiente entre el electrodo y el compuesto de polímero nitrogenasa / redox. "Hasta donde sabemos, la fijación y el contacto de las nitrogenasas en los polímeros redox es el primer paso para hacer que las nitrogenasas sean aplicables para la bioelectrosíntesis, "escriben los autores del estudio.