Forschung Produktion von Wasserstoff auf natürlichen Weg

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion und der Ruhr-Universität Bochum haben mit spektroskopischen Untersuchungen an einem wasserstoffproduzierenden Enzym herausgefunden, dass die Umgebung des katalytischen Zentrums im Enzym als Elektronenspeicher fungiert. Der regenerative Energieträger Wasserstoff kann so effizient produziert werden.

Mülheim an der Ruhr – Das Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC) und die Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben ein Enzym untersucht, das die Bildung und Umsetzung von Wasserstoff katalysiert. Es besitzt im Zentrum einen Doppeleisenkern und wird daher auch [FeFe]-Hydrogenase genannt. Hydrogenasen sind von großem Interesse für die Energieforschung, da sie effizient Wasserstoff produzieren können.

Bei der Wasserstoffproduktion des Enzyms tun sich zwei Elektronen mit zwei Protonen zusammen. Das Forscherteam zeigte, dass das erste Elektron zunächst wie erwartet auf das Eisenzentrum des Enzyms übertragen wird. Der zweite Transfer erfolgt hingegen auf einen Eisen-Schwefel-Cluster, der sich in der Peripherie befindet. Er bildet somit eine Zwischenablage für das zweite Elektron. Dieser „super-reduzierte“ Zustand ist möglicherweise für die extrem hohe Effizienz der Hydrogenase verantwortlich.

Anschließend werden dann beide Elektronen in einem Schritt von dem Enzym auf die Protonen übertragen, so dass Wasserstoff entsteht. „Erst der Einsatz von zwei unterschiedlichen spektroskopischen Verfahren hat die Entdeckung möglich gemacht“, sagt Agnieszka Adamska, Doktorandin am MPI CEC, die die spektroskopischen Untersuchungen durchführte.

„Bis zu 10 000 Moleküle Wasserstoff kann ein einzelnes [FeFe]-Zentrum pro Sekunde generieren“, erläutert Camilla Lambertz, Postdoktorandin an der RUB, die sich um die Vorbereitung der biologischen Proben für das Projekt kümmerte. Das Enzym gehört somit zu den effizientesten Hydrogenasen und wird daher von Biologen und Chemikern auch im Hinblick auf eine umweltfreundliche Wasserstoffproduktion intensiv untersucht. Der vollständige Mechanismus der Wasserstoffbildung ist allerdings komplex, und einige Schritte müssen noch geklärt werden.

Ziel: Entwicklung von wasserstoffproduzierenden Katalysatoren

Als nächstes wollen die Wissenschaftler am MPI CEC und der RUB mit empfindlichen spektroskopischen Methoden das Proton lokalisieren, auf welches die beiden Elektronen übertragen werden. Dieses negativ geladene Wasserstoffatom (Hydrid) reagiert mit einem weiteren Proton, um Wasserstoff zu bilden. Inspiriert von der [FeFe]-Hydrogenase würden die Forscher gerne eigene wasserstoffproduzierende Katalysatoren entwickeln, welche für die Generierung von Wasserstoff eingesetzt werden könnten.

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