Es ist eine große Herausforderung für unsere Gesellschaft, Energie effizient zu produzieren und zu speichern – etwa für implantierte medizinische Systeme. So könnte ein Biosystem beide Aufgaben auf einmal übernehmen.

Forscher haben ein Hybrid aus Brennstoffzelle und Kondensator auf Biobasis entwickelt. Mithilfe enzymatischer Prozesse generiert der sogenannte Biosuperkondensator effizient Energie und speichert diese auch. Der Trick: Die Enzyme sind in ein stabiles Polymergel eingebettet, das eine große Energiemenge speichern kann. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ beschreiben die Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum und der schwedischen Universität Malmö ihre Entwicklung.

Gesellschaftliche Herausforderung
Energie zu gewinnen und mit möglichst geringen Verlusten zu speichern ist eine der großen Herausforderungen für die heutige Gesellschaft. Üblicherweise finden Energieproduktion und -speicherung in unterschiedlichen Systemen statt – was ineffizient ist. Anders ist es bei dem neuen Biosuperkondensator, der beide Prozesse vereint.

„Eine solche Technik könnte zum Beispiel interessant sein für miniaturisierte Geräte, die sich selbst kabellos mit Energie versorgen sollen. Das ist insbesondere für implantierbare miniaturisierte Sensoren wichtig“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Lehrstuhl für Analytische Chemie. Er war mit seinen Kollegen Dr. Felipe Conzuelo, Dr. Piyanut Pinyou und Sabine Alsaoub an der Entwicklung beteiligt.

Enzyme an beiden Elektroden
Mithilfe eines Enzyms verbrennt der Biosuperkondensator an der einen Elektrode Glukose als Treibstoff. An der anderen Elektrode setzt ein Enzym Sauerstoff zu Wasser um. Beide Enzyme müssen in ein elektronenleitendes Gel eingebettet sein, um den elektrischen Kontakt zu den Elektroden herzustellen. Erstmals nutzte das Team für beide Elektroden das gleiche Gel, auch Redoxpolymer genannt.

Beim Aufladen und Speichern der Energie gibt dieses Redoxpolymer an einer Elektrode Elektronen ab und wird dabei positiv aufgeladen. An der anderen Elektrode nimmt es die Elektronen auf und wird so negativ geladen. „Beim Entladeprozess gleichen sich die Ladungen aus, und es fließt ein Strom“, erklärt Schuhmann.

Hohe Kapazität
Das so aufgebaute System erwies sich in den Tests der Forscher als stabil und kann dauerhaft als Energiequelle dienen. Es hat ein geringes Gewicht und eine hohe Kapazität, kann also eine große Ladungsmenge aufnehmen. „Wir sehen diese Arbeit als Startpunkt für zukünftige Strategien in der Entwicklung von neuen, hochfunktionalen und gleichzeitig kostengünstigen elektrischen Energiequellen auf Biobasis“, so das Fazit der Autoren.

Förderung
Finanzielle Unterstützung für die Arbeit kam von der Europäischen Kommission (PEOPLE-2013-ITN-607793), der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 1069) sowie der deutsch-israelischen Projektkooperation im Rahmen des Projekts „Nanoengineered optoelectronics with biomaterials and bioinspired assemblies“, der Russian Science Foundation (14-14-00530) und dem Swedish Research Council (621-2013-6006).

Originalveröffentlichung
Dmitry Pankratov, Felipe Conzuelo, Piyanut Pinyou, Sabine Alsaoub, Wolfgang Schuhmann, Sergey Shleev: A Nernstian Biosupercapacitor, in: Angewandte Chemie International Edition, 2016, DOI: 10.1002/anie.201607144 (Deutsche Ausgabe: 10.1002/ange.201607144)

Pressekontakt
Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Analytische Chemie
Zentrum für Elektrochemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de