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20 ISSN 1619-3350 der Einsatz von zwei unterschiedlichen spektroskopischen Verfahren hat die Entdeckung möglich gemacht. Bis zu 10.000 Moleküle Wasserstoff kann ein einzelnes [FeFe]-Zentrum pro Sekunde generieren. 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. Als nächstes wollen die Wissenschaftler am MPI CEC und der Ruhr-Universität Bochum 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 Wasserstoff produzierende Katalysatoren entwickeln, welche für die Generierung von Wasserstoff eingesetzt werden könnten. Hocheffiziente Fabrik für grünen Wasserstoff: Chlamydomonas reinhardtii (Quelle: MPI CEC/RUB) A. Adamska, A. Silakov, C. Lambertz, O. Rüdiger, Th. Happe, E. Reijerse, W. Lubitz: „Identifizierung und Charakterisierung des „super-reduzierten“ Zustands des H-Clusters von [FeFe]-Hydrogenasen: ein neuer Baustein im katalytischen Zyklus“, Angew. Chem.. doi:10.1002/ange.201204800 Kobalt statt Platin Französische Forscher haben ein neues Material entwickelt, das als Katalysator für die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse eingesetzt werden kann. Sie haben den Katalysator aus Kobaltsalzen durch elektrochemische Behandlung erzeugt. Dieses Material auf Kobaltbasis könnte den heutigen Platinkatalysator ersetzen und damit die Elektrolysekosten senken. Kobalt ist viel ergiebiger als Platin und somit deutlich preiswerter. Die Elektrolyse ist eine Reduktions-Oxydations-Reaktion und benötigt für beide Teilreaktionen Katalysatoren. Das Besondere an diesem neuen Material ist, dass es das einzige „schaltbare“ Material ist, das nicht aus Edelmetallen besteht. Ein „schaltbarer“ Katalysator ermöglicht es, die Oxydation an der Anode und die Reduktion an der Kathode zu katalysieren. Zu diesem Zweck wird er in zwei Formen genutzt: in reduzierter Form (als Kobalt-Nanopartikel umgeben von einem Kobalt(II)– Oxophosphat) zur Herstellung von Wasserstoff und in oxydierter Form (als komplexes Kobaltoxid) zur Erzeugung von Sauerstoff. Dieses Kobaltoxid konnte dank der Plattform für Nano- Charakterisierung (PFNC) der CEA in Grenoble vollständig charakterisiert werden. Dieser neue Kobalt-basierte Katalysator kann also die beiden Teilreaktionen der Elektrolyse katalysieren und würde eine kostengünstigere und umweltfreundliche industrielle Wasserstofferzeugung ermöglichen. E. S. Andreiadis, P.-A. Jacques, Ph. D. Tran, A. Leyris, M. Chavarot- Kerlidou, B. Jousselme, M. Matheron, J. Pécaut, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero: „Molecular engineering of a cobalt-based electrocatalytic nanomaterial for H 2 evolution under fully aqueous conditions“, Nature Chemistry 5 (2013) 48-53 S. Cobo, J. Heidkamp, P.-A. Jacques, J. Fize, V. Fourmond, L. Guetaz, B. Jousselme, V. Ivanova, H. Dau, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero: „A Janus cobalt-based catalytic material for electro-splitting of water“, Nature Materials 11 (2012) 802-7
Jahrgang 17, Nr. 1/13 (Januar/Februar) 21 Zähe Mikroorganismen Waren Sie schon mal am Lake Vida? Nein? Da haben Sie wohl auch nicht viel versäumt. Dieser See liegt in der Antarktis, wo es monatelang dunkel ist. Er ist so salzig, dass er selbst bei -13 °C nicht zufriert, dafür aber liegt er unter einer 20 m dicken Eisschicht – und das seit etwa 2.800 Jahren. Aber in diesem Wasser gibt es Leben. Keine Salzheringe, sondern Mikroorganismen, die sich offenbar unter diesen Bedingungen recht wohl fühlen und sich vermehren. Wovon leben die? Die Umgebung, in der die Extrembakterien leben, ist ziemlich einzigartig: Das Wasser enthält neben den großen Salzmengen sehr viel gelöstes Lachgas sowie andere Stickstoffverbindungen wie Ammoniak, Nitrit und Nitrat. Auch molekularer Wasserstoff ist in hohen Konzentrationen vorhanden. Ebenfalls stark vertreten sind gelöste Metalle, vor allem Eisen, und sowohl anorganische als auch organische Kohlenstoffverbindungen. Es sei denkbar, dass die Energie für die Mikroben vor allem durch ständige Reaktionen der Sole mit dem stark eisenhaltigen Gestein des Bodens zur Verfügung gestellt wird, mutmaßen die Forscher. So könnte eine Oxidation der Eisensalze, gekoppelt mit einer Reduktion von Nitrit und Nitrat, molekularen Wasserstoff erzeugen, der dann einigen dieser Organismen als Energiequelle für den Nährstoffaufbau dient. Diese Mikroben könnten dann die Nährstoffe für Bakterien zur Verfügung stellen, die andere Stoffwechselwege verwenden, spekulieren die Wissenschaftler. A. E. Murray, F. Kenig, Ch. H. Fritsena, Ch. P. McKay, K. M. Cawley, R. Edwards, E. Kuhn, D. M. McKnight, N. E. Ostrom, V. Peng, A. Ponce, J. C. Priscu, V. Samarkin, A. T. Townsend, P. Wagh, S. A. Young, P. T. Yung, P. T. Doran: „Microbial life at -13 °C in the brine of an ice-sealed Antarctic lake“, PNAS 109 (2012) 20626–31 Brennstoffzelle mit Nachbrenner Eine Brennstoffzelle erzeugt bekanntlich Strom – und Wärme. Kann man die Wärme nutzbringend verwenden, ist es gut. Aber oft ist mal allein am Strom interessiert und hat dann das Problem, die Wärme irgendwie loszuwerden. Aber auch hier ist noch was drin. Auch Abwärme einer Brennstoffzelle lässt sich in Strom verwandeln. Im Projekt HITTEC entwickeln Forschende der Schweizer Empa in strategischer Partnerschaft mit der Hexis AG einen thermoelektrischen Konverter (TEC), der Brennstoffzellensysteme effizienter macht: Bis zu 10 % Extraleistung sollen sie dadurch liefern. Dafür müssen allerdings geeignete Materialien entwickelt werden, die den unterschiedlichsten Anforderungen genügen. Wandelt eine Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) chemisch gebundene Energie in elektrischen Strom um, entstehen Temperaturen bis zu 900 °C. Diese Abwärme wird derzeit lediglich zur Warmwasserbereitung eingesetzt. Daraus Strom zu gewinnen erhöht nicht nur den Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems. Hocheffiziente Energiewandlungstechnologien helfen darüber hinaus am effektivsten, unsere fossilen und erneuerbaren Ressourcen einzusparen. Thermoelektrischer Konverter (Foto: Empa) TECs sind bereits im Handel erhältlich. Wie Heftpflaster werden sie auf wärmeabstrahlende Wände von Motoren oder Öfen „geklebt“. Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Sind diese unterschiedlich warm, so wandern die Elektronen von der einen zur anderen Seite. Das kann zur Stromproduktion genutzt werden. Doch bei 300 °C ist für gängige TEC-Module heute Schluss. Neue Hochtemperatur-Thermoelektrika (High Temperature Thermoelectric Converter, HITTEC) müssten jedoch nicht nur temperaturresistent sein, sondern darüber hinaus einige widersprüchliche Eigenschaften vereinen: Sie müssen etwa elektrisch leitfähig sein wie Metalle und über hohe thermoelektrische Kräfte wie Halbleiter verfügen und dürfen dabei
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