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 se protege incrustándola en un polímero. Un equipo de investigación internacional con una importante participación de científicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha presentado el sistema en la reconocida revista científica. Catálisis de la naturaleza .

Las pilas de combustible convierten el hidrógeno en electricidad, mientras que los electrolizadores usan electricidad para dividir el agua y producir hidrógeno. Ambos necesitan el raro y por tanto caro platino como catalizador. La naturaleza ha creado una solución diferente:Enzimas, denominadas hidrogenasas. Catalizan la 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 Munich (TUM), Ruhr-Universität Bochum (RUB), el Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) en Marsella y el Instituto Max-Planck para la Conversión de Energía Química han 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 se incrustan en polímeros adecuados, continúan funcionando durante varias semanas, incluso en presencia de oxígeno, "dice Nicolas Plumeré, Profesor de Electrobiotecnología en el TUM Campus Straubing para Biotecnología y Sostenibilidad. "Sin esta protección, pierden su actividad en cuestión de minutos".

Incrustar las hidrogenasas en polímeros cuyas cadenas laterales pueden transferir electrones, denominados polímeros redox, Sin embargo, tiene dos desventajas decisivas:un alto nivel de resistencia contrarresta el flujo de electrones a través del polímero redox. Esto requiere la inversión de energía que luego se pierde en forma de calor. Y las hidrogenasas incrustadas pierden por completo su capacidad de generar hidrógeno.

Potencial de ajuste fino

Con una inteligente selección de las cadenas laterales de polímero adecuadas, El equipo de investigación ahora 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 nuevo intento, 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 la conversión de hidrógeno

Utilizando este sistema, el equipo de investigación luego construyó una celda de combustible, en el 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 en el proceso.

La celda alcanzó un valor, con una tensión en 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 las células biológicas al mismo tiempo.

El sistema también se puede utilizar para la reacción inversa, producir hidrógeno consumiendo electrones:la eficiencia de conversión de energía es cercana al 100 por ciento, incluso con densidades de potencia superiores a cuatro miliamperios por centímetro cuadrado.

Proyecto para nuevos biocatalizadores

"La reducción de 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 pilas 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 a base de platino, La investigación en curso del equipo se centra ahora en mejorar la estabilidad de las hidrogenasas a densidades de potencia más altas.

Es más, 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.