Neue Energieumwandlungsschicht für Biosolarzellen

Ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat mit Kollegen aus Lissabon eine halbkünstliche Elektrode hergestellt, die in Biosolarzellen Lichtenergie in andere Energieformen umwandeln könnte. Die Technik basiert auf dem Fotosynthese-Protein Photosystem I aus Cyanobakterien. Die Gruppe zeigte, dass sie ihr System mit einem Enzym koppeln konnten, das die umgewandelte Lichtenergie für die Wasserstoffproduktion nutzte. Die Ergebnisse sind im Oktober 2020 online vorab in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht worden.

Für die Arbeiten kooperierte die RUB-Gruppe um Panpan Wang, Dr. Fangyuan Zhao, Dr. Julian Szczesny, Dr. Adrian Ruff, Dr. Felipe Conzuelo und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie mit dem Team um Anna Frank, Prof. Dr. Marc Nowaczyk und Prof. Dr. Matthias Rögner aus der Biochemie der Pflanzen sowie Kollegen der Universidade Nova de Lisboa.

Kurzschlussgefahr

Photosystem I ist in Cyanobakterien und Pflanzen Teil der Fotosynthese-Maschinerie. Mithilfe von Lichtenergie kann es Ladungen trennen und so hochenergetische Elektronen erzeugen, die auf andere Moleküle übertragen werden können, zum Beispiel auf Protonen für die Produktion von Wasserstoff.

Bereits in früheren Arbeiten hatten die Bochumer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den lichtsammelnden Proteinkomplex Photosystem I genutzt, um Elektroden für Biosolarzellen zu konzipieren. Sie trugen dazu eine Photosystem-I-Monoschicht auf eine Elektrode auf. In solchen Monoschichten sind die Photosysteme nicht übereinandergestapelt, sondern liegen nebeneinander in derselben Ebene. Photosystem I kommt aber üblicherweise als Trimer vor, es lagern sich also immer drei Photosysteme zusammen. Da sich die Trimere nicht dicht an dicht packen lassen, entstehen Löcher in der Monoschicht, wodurch es zu Kurzschlüssen kommen kann. Das beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit des Systems. Genau dieses Problem lösten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der vorliegenden Arbeit.

Löcher in der Photosystem-Schicht gestopft

In dem Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus liegt Photosystem I hauptsächlich als Trimer vor. Durch eine neue Extraktionstechnik konnten die Forscher zusätzlich Monomere aus dem Organismus isolieren und erzeugten damit auf der Elektrode eine Photosystem-I-Monoschicht, in der die Monomere die Löcher zwischen den Trimeren füllten. Damit verminderten sie die Kurzschlusseffekte. Das System erzielte doppelt so hohe Stromdichten wie ein System, das nur aus Trimeren bestand.

Um zu zeigen, wozu die Technik prinzipiell genutzt werden kann, koppelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sie an ein Hydrogenase-Enzym, das mithilfe der durchs Photosystem bereitgestellten Elektronen Wasserstoff produzierte. „Künftige Arbeiten werden sich auf eine noch effizientere Kopplung zwischen der Photosystem-Monoschicht und den integrierten Biokatalysatoren richten, um praktische Biosysteme zur Umwandlung von Sonnenenergie zu realisieren“, geben die Autoren einen Ausblick in ihrer Publikation.

Förderung

Die Arbeiten wurden finanziell unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv (EXC2033 – Projektnummer 390677874), und im Rahmen des Graduiertenkollegs 2341 „Microbial Substrate Conversion“ sowie vom China Scholarship Council.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Analytische Chemie -Zentrum für Elektrochemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Originalpublikation:

Panpan Wang et al.: Closing the gap for electronic short‐circuiting: Photosystem I mixed monolayers enable improved anisotropic electron flow in biophotovoltaic devices, in: Angewandte Chemie, 2020, DOI: 10.1002/anie.202008958, deutsche Version: 10.1002/ange.202008958

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