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Chemiereport_2016-4

59 AustrianLifeSciences chemiereport.at 2016.5 LIFE SCIENCES chemie und Systembiologie an der Har- vard Medical School, konnte der Idee nun Leben eingehaucht werden. Ähnlichkeit mit einem Hamburger Auf den ersten Blick hat das künstli- che Blatt mit seinem natürlichen Pen- dant nicht viel gemein, es ähnelt eher einem Sandwich, und Nocera vergleicht es am liebsten mit einem Hamburger. Das „Sandwich“ besteht aus einem Stück Sili- zium-Wafer, dem eigentlichen Hambur- ger, der auf beiden Seiten mit je einem spezifischen Katalysator beschichtet ist, den beiden Brötchenhälften. Eine isolie- rende Membran unter dem ersten Kata- lysator vergleicht Nocera lapidar mit dem Käse. Taucht man dieses Sandwich bei Raumtemperatur und Normaldruck in ein Glas Wasser und lässt Licht darauf fallen, entfaltet sich spontan eine Art Lichtreak- tion. Der dabei fließende Strom lädt das „Blatt“ auf, der Cobalt-Phosphat-Katalysa- tor spaltet auf einer Seite des Wafers Was- ser in molekularen Sauerstoff und Proto- nen. Letztere diffundieren auf die andere Seite, wo eine Nickel-Zink-Legierung sie zu Wasserstoff reduziert. Für die Dunkelreaktion sind gentech- nisch modifizierte Ralstonia eutropha, die zu den lithoautotrophen Bakterien zählen, zuständig, sagt Nocera. Mit spe- ziellen Hydrogenasen (NiFe-Metallopro- teine) oxidieren die Bakterien den vom künstlichen Blatt erzeugten Wasserstoff und gewinnen so Energie und Redukti- onsäquivalente zur Fixierung von Koh- lenstoff in organischen Verbindungen. Was die Wissenschaftler zum Schwär- men bringt, ist die Effizienz des Prozesses: Das Hybridsystem soll die Photosynthese um mehr als das Zehnfache übertreffen. Dabei wird Sonnenlicht mit einer Effi- zienz von 10,2 Prozent in Biomasse ver- wandelt, die natürliche Photosynthese schafft gerade einmal ein Prozent. Bei der Umwandlung von Sonnenlicht zu Fuselal- koholen wie Isopropanol, Isobutanol und Isopentanol soll die Effizienz aktuell 6,7 Prozent betragen. Steiniger Weg Personalisierte Energie ist Noceras Vision, und er hat dabei vor allem Haus- halte in Entwicklungsländern im Visier. Mit nur zehn bis 15 Flaschen Wasser könne man schließlich so viel Energie erzeugen, um ein Haus zwei Tage lang mit Strom zu versorgen, schwärmt Nocera. Damit dies gelingt, müssen die in der Lichtreaktion entstehenden Gase Wasser- stoff und Sauerstoff aber getrennt vonei- nander gespeichert werden. Lässt man beide in einer Brennstoffzelle wieder aufeinandertreffen, erzeugt eine kontrol- lierte Knallgasreak- tion Energie, die als Elektrizität genutzt werden kann. Das eingesetzte Wasser wird dabei zurück- gewonnen. Doch der Weg zum künstlichen Blatt war steinig, eine Herausforderung seien die Katalysatoren – die im künstlichen Blatt die Enzyme erset- zen – gewesen, erklärt Nocera. Die anfangs verwendete Nickel-Molybdän-Zink-Legie- rung brachte als Nebenprodukt reaktive Sauerstoffspezies hervor, diese schädig- ten die DNA der Bakterien. Probleme bereitete auch die Kataly- sator-Beschichtung des Silicium Wafers. Denn das Licht musste zuerst den Kata- lysator durchqueren, bevor es auf die photoaktive Schicht traf. Die dabei auf- tretenden Energieverluste verringerten die Effizienz der Photolyse. Bei ihren Ver- suchen, die Oberfläche so zu strukturie- ren, dass Licht direkt auf die photoaktive Schicht trifft, stießen Nocera und Silver auf RIPPLE. RIPPLE steht für „reactive interface patterning promoted by litographic elec- trochemistry“ und ähnelt dem Ätzprozess. Obwohl RIPPLE eine Zufallsentdeckung und der Mechanismus dahinter noch nicht vollständig verstanden ist, lässt er sich dennoch exakt kontrollieren und dauert nur wenige Minuten, bekräftigt Nocera. Das System ist also nicht nur effi- zient und vielfältig einsetzbar, auch die Katalysatoren sind einfach und vor allem günstig herzustellen. Das bionische Blatt ist deshalb nicht nur Auftakt zu einer nachhaltigeren Produktion von Elektri- zität und chemischen Grundstoffen. Es könnte sogar eine echte Erfolgsgeschichte werden. Ralstonia eutropha ist ein gram-nega- tives lithoautotrophes Bakterium und kommt in Erde und Wasser vor. Litho- autotrophe Mikroorganismen enthalten zusätzlich bestimmte Hydrogenasen und können Energie auch aus reduzierenden Verbindungen mineralischen Ursprungs gewinnen. Diese NiFe-Metalloproteine katalysieren die Oxidation von Wasser- stoff und liefern Energie und Reduktions- äquivalente in Form von ATP und NADPH. Die Fixierung von Kohlendioxid in Form organischer Verbindungen erfolgt über den Calvin-Benson-Bassham-Zyklus. Bei geringen Sauerstoffkonzentrationen kann Ralstonia eutropha organischen Kohlen- stoff auch in Form von Poly[R-(–)-3-hy- droxybutyrat] (PHB) in dafür spezialisier- ten Granula speichern. Ralstonia Eutropha „Die künstliche Photosynthese ist zehnmal so effizient wie die natürliche.“ Präzise Volumetrieprodukte aus Kunststoff und tausende weitere nützliche Artikel für Ihr Labor! www.semadeni.com/webshop Semadeni (Europe) AG | A-1210 Wien | Tel. +43 1 256 55 00 europe@semadeni.com | www.semadeni.com Präzise Volumetrieprodukte aus Kunststoff und tausende weitere nützliche Artikel für Ihr Labor! www.semadeni.com/webshop Semadeni (Europe) AG | A-1210 Wien | Tel. +43 1 256 55 00 europe@semadeni.com | www.semadeni.com Semadeni (Europe) AG | A-1210 Wien | Tel. +4312565500 Semadeni (Europe) AG | A-1210 Wien | Tel. +4312565500

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