Energieumwandlungsschicht für Biosolarzellen

Bioelektrode wird zur Messung mit rotem Licht bestrahlt (Foto: Felipe Conzuelo)

Bochum (pte029/21.12.2020/11:30) - Eine halbkünstliche Elektrode, die in Biosolarzellen Lichtenergie in andere Energieformen umwandeln könnte. Das haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum http://ruhr-uni-bochum.de zusammen mit Kollegen aus Lissabon realisiert. Die Technik basiert auf dem Fotosynthese-Protein Photosystem I aus Cyanobakterien. Die Experten haben ihr System mit einem Enzym gekoppelt, das die umgewandelte Lichtenergie für die Wasserstoffproduktion nutzt.

Fotosynthese-Maschinerie

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 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.

Thermosynechococcus elongatus

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, haben die Fachleute sie an ein Hydrogenase-Enzym gekoppelt, 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 in ihrer wissenschaftlichen Arbeit einen Ausblick in ihrer Publikation.

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