p Uma enzima poderia realizar um sonho para a indústria de energia:ela pode produzir hidrogênio com eficiência usando eletricidade e também pode gerar eletricidade a partir do hidrogênio. A enzima é protegida por incorporação em um polímero. Uma equipe de pesquisa internacional com participação significativa de cientistas da Universidade Técnica de Munique (TUM) apresentou o sistema na renomada revista científica Catálise Natural . p As células de combustível transformam hidrogênio em eletricidade, enquanto os eletrolisadores usam eletricidade para dividir a água para produzir hidrogênio. Ambos precisam do raro e caro metal precioso da platina como catalisador. A natureza criou uma solução diferente:Enzimas, referido como hidrogenases. Eles catalisam a conversão de hidrogênio muito rapidamente e quase sem perda de energia.

p Contudo, no passado, esses biocatalisadores não eram considerados adequados para uso industrial devido à sua alta sensibilidade ao oxigênio. Agora uma equipe de pesquisa da Universidade Técnica de Munique (TUM), Ruhr-Universität Bochum (RUB), o Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) em Marselha e o Instituto Max-Planck para Conversão de Energia Química conseguiram incorporar as enzimas sensíveis em um polímero protetor de uma forma que as torna viáveis ​​para uso na conversão técnica de hidrogênio.

p Durabilidade vs. atividade

p "Quando as hidrogenases sensíveis são incorporadas em polímeros adequados, elas continuam a funcionar por várias semanas, mesmo na presença de oxigênio, "diz Nicolas Plumeré, Professor de Eletrobiotecnologia na TUM Campus Straubing de Biotecnologia e Sustentabilidade. "Sem essa proteção, eles perdem a atividade em questão de minutos."

p Incorporando as hidrogenases em polímeros cujas cadeias laterais podem transferir elétrons, referidos como polímeros redox, no entanto, tem duas desvantagens decisivas:um alto nível de resistência compensa o fluxo de elétrons através do polímero redox. Isso requer o investimento de energia que é então perdida na forma de calor. E as hidrogenases incorporadas perdem completamente sua capacidade de gerar hidrogênio.

p Potencial de ajuste fino

p Com uma seleção inteligente das cadeias laterais de polímero certas, a equipe de pesquisa conseguiu agora definir o potencial redox do polímero de tal forma que apenas uma pequena sobretensão é necessária para superar a resistência.

p Investigações mais detalhadas revelaram então que o potencial das cadeias laterais havia mudado ligeiramente para valores positivos devido à incorporação na matriz do polímero. Em uma tentativa posterior, eles usaram uma cadeia lateral com um potencial negativo correspondente. Esse truque foi a descoberta:a hidrogenase agora era capaz de catalisar a reação em ambas as direções sem perda de energia.

p Biocatalisador para conversão de hidrogênio

p Utilizando este sistema, a equipe de pesquisa construiu uma célula de combustível, em que o oxigênio é reduzido pela enzima bilirrubina oxidase da bactéria Myrothecium verrucaria, enquanto a hidrogenase embutida no filme de polímero oxida o hidrogênio da bactéria desulfovibrio desulfuricans, geração de eletricidade no processo.

p A célula atingiu um valor, com uma tensão de circuito aberto de 1,16 V, o mais alto já medido para um sistema desse tipo e próximo ao máximo termodinâmico. Com três miliamperes por centímetro quadrado, a célula alcançou uma densidade de potência muito alta para células biológicas ao mesmo tempo.

p O sistema também pode ser usado para a reação reversa, produção de hidrogênio pelo consumo de elétrons:A eficiência de conversão de energia é próxima a 100 por cento, mesmo com densidades de potência de mais de quatro miliamperes por centímetro quadrado.

p Projeto para novos biocatalisadores

p “A redução da perda de energia tem duas vantagens decisivas, "diz Nicolas Plumeré." Primeiro, torna o sistema significativamente mais eficiente; segundo, o calor gerado em uma pilha de células de combustível em níveis de alto desempenho representaria um problema para os sistemas biológicos. "

p A fim de tornar seu sistema competitivo com sistemas que usam catalisadores à base de platina, a pesquisa em andamento da equipe agora está focada em melhorar a estabilidade das hidrogenases em densidades de potência mais altas.

p Além disso, os resultados também podem ser transferidos para outros catalisadores altamente ativos, mas sensíveis para conversão de energia e eletrossíntese. Os objetivos diretos aqui são principalmente enzimas redutoras de dióxido de carbono que podem usar eletricidade para produzir combustíveis líquidos ou produtos intermediários a partir do dióxido de carbono.