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A bioelectrode with the protein complex Photosystem I under irradiation with red light for measurement of the photocurrent response © Felipe Conzuelo

New energy conversion layer for biosolar cells

Angew.Chem.: Photosynthetic proteins can convert light energy into other forms of energy. Researchers want to make this technology usable for the industrial production of fuels, for example.

A research team from the RUB, together with colleagues from Lisbon, has produced a semi-artificial electrode that could convert light energy into other forms of energy in biosolar cells. The technique is based on the photosynthesis protein Photosystem I from cyanobacteria. The group showed that they could couple their system with an enzyme that used the converted light energy to produce hydrogen. The results were published online in advance in October 2020 in the journal Angewandte Chemie.

For the work, groups from the RUB Center for Electrochemistry and from the RUB Chair of Biochemistry of Plants cooperated with colleagues from the Universidade Nova de Lisboa.

Short-circuit danger

In earlier work, the Bochum scientists had already used the light-collecting protein complex photosystem I to design electrodes for biosolar cells. For this purpose, they covered an electrode with a photosystem I monolayer. In such monolayers, the photosystems are not stacked on top of each other, but lie side by side in the same plane. Photosystem I, however, usually occurs as a trimer, i.e. three photosystems are always linked together. Since the trimers cannot be packed close together, holes appear in the monolayer, which can lead to short circuits. This impairs the performance of the system. It was precisely this problem that the scientists solved in the present work.

In the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus, photosystem I exists mainly as a trimer. Using a new extraction technique, the researchers were able to isolate additionally monomers from the organism, creating a photosystem I monolayer on the electrode in which the monomers filled the holes between the trimers. In this way, they reduced the short-circuit effects. The system achieved current densities twice as high as a system consisting only of trimers.
 

Additional information

Press Release

Original Publication : Panpan Wang et al: Closing the gap for electronic short-circuiting: Photosystem I mixed monolayers enable improved anisotropic electron flow in biophotovoltaic devices, in: Angewandte Chemie International Edition, 2020, DOI: 10.1002/anie.202008958

 

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Neue Energieumwandlungsschicht für Biosolarzellen

Angew.Chem.:Fotosynthese-Proteine können Lichtenergie in andere Energieformen umwandeln. Diese Technik wollen Forscherinnen und Forscher auch für die industrielle Produktion von beispielsweise Brennstoffen nutzbar machen.

Ein Forschungsteam der RUB hat mit Kollegen aus Lissabon eine halbkünstliche Elektrode hergestellt, die in Biosolarzellen Lichtenergie in andere Energieformen umwandeln könnte. Die Technik basiert auf dem Fotosynthese-Protein Photosystem I aus Cyanobakterien. Die Gruppe zeigte, dass sie ihr System mit einem Enzym koppeln konnten, das die umgewandelte Lichtenergie für die Wasserstoffproduktion nutzte. Die Ergebnisse sind im Oktober 2020 online vorab in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht worden.

Für die Arbeiten kooperierten Teams vom Zentrum für Elektrochemie und vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen sowie Kollegen der Universidade Nova de Lisboa.

Kurzschlussgefahr

Bereits in früheren Arbeiten hatten die Bochumer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den lichtsammelnden Proteinkomplex Photosystem I genutzt, um Elektroden für Biosolarzellen zu konzipieren. Sie trugen dazu eine Photosystem-I-Monoschicht auf eine Elektrode auf. In solchen Monoschichten sind die Photosysteme nicht übereinandergestapelt, sondern liegen nebeneinander in derselben Ebene. Photosystem I kommt aber üblicherweise als Trimer vor, es lagern sich also immer drei Photosysteme zusammen. Da sich die Trimere nicht dicht an dicht packen lassen, entstehen Löcher in der Monoschicht, wodurch es zu Kurzschlüssen kommen kann. Das beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit des Systems. Genau dieses Problem lösten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der vorliegenden Arbeit.

In dem Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus liegt Photosystem I hauptsächlich als Trimer vor. Durch eine neue Extraktionstechnik konnten die Forscher zusätzlich Monomere aus dem Organismus isolieren und erzeugten damit auf der Elektrode eine Photosystem-I-Monoschicht, in der die Monomere die Löcher zwischen den Trimeren füllten. Damit verminderten sie die Kurzschlusseffekte. Das System erzielte doppelt so hohe Stromdichten wie ein System, das nur aus Trimeren bestand.
 

Zusätzliche Informationen

Ausführliche Pressemitteilung

Originalveröffentlichung : Panpan Wang et al: Closing the gap for electronic short-circuiting: Photosystem I mixed monolayers enable improved anisotropic electron flow in biophotovoltaic devices, in: Angewandte Chemie International Edition, 2020, DOI: 10.1002/anie.202008958

Leading actor: the solvent

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