酶——能源行业的新希望：高效产氢与发电的生物催化剂

酶——能源行业的新希望：高效产氢与发电的生物催化剂

一种酶可以让能源行业的梦想成真：它可以高效地从电能中产生氢气，也可以从氢气中产生电能。酶被嵌入聚合物中以保护它。一个由慕尼黑工业大学 (TUM) 科学家积极参与的国际研究团队在著名科学期刊《自然催化》上介绍了该系统。

燃料电池将氢转化为电能，而电解器则利用电能将水分解成氢。两者都需要稀有且昂贵的贵金属铂作为催化剂。大自然创造了另一种解决方案：酶，称为氢化酶。它们可以非常快速地催化氢的转化，并且几乎没有能量损失。

然而，由于这些生物催化剂对氧气高度敏感，过去被认为不适合工业用途。现在，来自慕尼黑工业大学 (TUM)、波鸿鲁尔大学 (RUB)、法国马赛国家科学研究中心 (CNRS) 和马克斯普朗克化学能转换研究所的研究团队成功地将敏感酶嵌入保护性聚合物中，使其适合工业制氢。

脱硫弧菌属氢化酶的结构：在其活性中心，铁硫簇催化氢氧化为质子，以及质子还原为氢。额外的铁硫簇使电子能够转移到周围的聚合物。

嵌入保护性聚合物的氢化酶可以催化燃料电池中的氢转化和水电解。聚合物的侧链可以实现电子转移。David T.

耐用性和移动性

慕尼黑工业大学生物技术与可持续发展学院的生物技术教授埃表示，当敏感的氢化酶被嵌入合适的聚合物中时，它们即使在有氧气的情况下也能持续工作数周。如果没有这种保护，它们会在几分钟内失去活性。

然而，将氢化酶嵌入侧链可以转移电子的聚合物（称为氧化还原聚合物）中仍然有两个决定性的缺点：高电阻会抵消电子通过氧化还原聚合物的流动。这需要投入能量，然后以热量的形式损失掉。嵌入的氢化酶完全失去了产生氢气的能力。

微调潜力

通过正确选择合适的聚合物侧链，研究团队现已成功设定聚合物的氧化还原电位，从而只需要很小的过电压即可克服电阻。

随后，更详细的研究表明，由于侧链嵌入聚合物基质中，侧链的电位略微向正值偏移。在进一步的尝试中，他们使用了具有相应负电位的侧链。这一技巧是一个突破：氢化酶现在能够在两个方向上催化反应而不会损失能量。

用于氢转化的生物催化剂

随后，研究小组利用该系统构建了一个燃料电池，其中氧气被疣状细菌的胆红素氧化酶还原，而嵌入在聚合物膜中的氢化酶则将细菌的氢氧化，从而在此过程中产生电能。

该电池的开路电压为 1.16 V，这是该系统有史以来的最高值，接近热力学最大值。在 3 毫安/平方厘米的电流密度下，该电池同时实现了生物细胞的极高功率密度。

该系统还可用于逆反应，通过消耗电子产生氢气：即使功率密度超过每平方厘米4毫安时，能量转换效率也接近100%。

新型生物催化剂的蓝图

É 表示，减少能量损失有两个决定性的优势。首先，它使系统更加高效；其次，高性能燃料电池堆产生的热量对生物系统来说是个问题。

为了使他们的系统与使用铂基催化剂的系统具有竞争力，该团队正在进行的研究目前集中于提高氢化酶在高功率密度下的稳定性。

此外，该研究结果还可应用于其他高活性但敏感的催化剂，用于能量转换和电合成。目前的研究目标主要是利用电能从二氧化碳中生产液体燃料或中间产品的二氧化碳还原酶。