Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato un nuovo meccanismo per proteggere gli enzimi dall'ossigeno come biocatalizzatori nelle celle a combustibile. Gli enzimi, note come idrogenasi, sono efficienti quanto i catalizzatori di metalli preziosi, ma instabili quando entrano in contatto con l'ossigeno. Non sono quindi ancora idonei per applicazioni tecnologiche. Il nuovo meccanismo protettivo si basa su enzimi che consumano ossigeno e che traggono la loro energia dallo zucchero. I ricercatori hanno dimostrato di essere stati in grado di utilizzare questo meccanismo protettivo per produrre una cella a biocombustibile funzionale che funziona con idrogeno e glucosio come combustibile.

Il team guidato dal Dr. Adrian Ruff e dal Professor Wolfgang Schuhmann del Center for Electrochemical Sciences della Ruhr-Universität Bochum descrive i risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura dal 10 settembre 2018 insieme ai colleghi del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion di Mülheim an der Ruhr e dell'Università di Lisbona.

Il team del Bochum Center for Electrochemical Sciences aveva già dimostrato in studi precedenti che le idrogenasi possono essere protette dall'ossigeno incorporandole in un polimero. "Però, questo meccanismo consuma elettroni, che ha ridotto le prestazioni della cella a combustibile, " dice Adrian Ruff. "Inoltre, parte del catalizzatore è stata utilizzata per proteggere l'enzima." Gli scienziati hanno quindi cercato modi per disaccoppiare il sistema cataliticamente attivo dal meccanismo protettivo.

Gli enzimi intrappolano l'ossigeno

Con l'aiuto di due enzimi, hanno costruito un sistema di rimozione dell'ossigeno attorno all'elettrodo che produce corrente. Primo, i ricercatori hanno rivestito l'elettrodo con le idrogenasi, che sono stati incorporati in una matrice polimerica per fissarli in posizione. Hanno quindi posizionato un'altra matrice polimerica sopra l'idrogenasi, che racchiudeva completamente lo strato catalitico sottostante. Conteneva due enzimi che usano lo zucchero per convertire l'ossigeno in acqua.

L'idrogeno viene ossidato nello strato inferiore contenente idrogenasi. L'elettrodo assorbe gli elettroni rilasciati nel processo. Lo strato superiore rimuove l'ossigeno dannoso.

Cella a combustibile funzionale costruita

In ulteriori esperimenti, il gruppo ha combinato i bioanodi sopra descritti con i biocatodi, che si basano anche sulla conversione del glucosio. In questo modo, il team ha prodotto una cella a biocombustibile funzionale. "Il glucosio da biomassa economico e abbondante non è solo il carburante per il sistema di protezione, ma guida anche il biocatodo e quindi genera un flusso di corrente nella cellula, " riassume Wolfgang Schuhmann, capo del Centro per le scienze elettrochimiche e membro del cluster di eccellenza Ruhr Explores Solvation. La cella aveva una tensione a circuito aperto di 1,15 volt, il valore più alto mai raggiunto per una cella contenente un bioanodo a base di polimeri.

"Partiamo dal presupposto che il principio alla base di questo meccanismo di scudo protettivo possa essere trasferito a qualsiasi catalizzatore sensibile se viene selezionato l'enzima appropriato in grado di catalizzare la corrispondente reazione di intercettazione, "dice Wolfgang Schuhmann.