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Wolfgang Schuhmann, Fangyuan Zhao, Adrian Ruff and Felipe Conzuelo (from the left) work on long-lasting bioelectrodes. © RUB, Marquard

Improving the lifetime of bioelectrodes for solar energy conversion

JACS: The key to a long life for bioelectrodes lies in an oxygen-free environment.

The use of proteins involved in the photosynthetic process enables the development of affordable and efficient devices for energy conversion. However, although proteins such as photosystem I are robust in nature, the use of isolated protein complexes incorporated in semi-artificial electrodes is associated with a considerably short long-term stability. In consequence, the technological application of these kind of biodevices is still limited. Researchers at RUB showed that a careful operation of the photosystem-based bioelectrode under the exclusion of oxygen is the key for achieving high stability.

The team involving Dr. Fangyuan Zhao, Dr. Adrian Ruff, Dr. Felipe Conzuelo, and Professor Wolfgang Schuhmann from the Chair of Analytical Chemistry and Center for Electrochemical Sciences, together with Professor Matthias Rögner from the Bochum Chair of Plant Biochemistry describes the results in the renowned "Journal of the American Chemical Society".

Oxygen is to blame

The scientists have already shown in a previous study that under operation of the bioelectrode reactive molecules are formed that damage photosystem I and are responsible for a limited lifetime of the biodevice. These reactive species are associated to the use of oxygen as final electron acceptor. Therefore, the design of bioelectrodes operating in an oxygen-free environment was suggested.

An important step towards the application

Now, operation of the bioelectrode under the exclusion of oxygen has proven to effectively increase the lifetime of the device for a substantial period in comparison with the results obtained in the presence of ambient oxygen. As the authors explain, the obtained results are an important step towards the efficient development and possible application of photobiodevices for energy conversion

 

Additional Information

Original Publication: F. Zhao, A. Ruff, M. Rögner, W. Schuhmann, F. Conzuelo: Extended operational lifetime of a photosystem-based bioelectrode, in: Journal of the American Chemical Society, 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b13869

Press Release from RUB

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Längeres Leben für Bioelektroden

JACS: Forscher haben den Schlüssel zu einer langen Lebensdauer für Bioelektroden gefunden, die Sonnenlicht in Strom umwandeln.

Proteine, die an der Fotosynthese beteiligt sind, lassen sich nutzen, um kostengünstig und effizient Strom aus Sonnenenergie herzustellen. Doch obwohl diese Proteine wie das Photosystem I von Natur aus robust sind, ist die Lebensdauer isolierter Proteinkomplexe in halbkünstlichen Elektroden deutlich kürzer. Deswegen ist die technologische Anwendung solcher Bioelektroden noch begrenzt. Ein Forscherteam der RUB hat jetzt gezeigt, dass der Betrieb in sauerstofffreier Umgebung die Lebensdauer der Bioelektrode deutlich verlängert.

Das Team um Dr. Fangyuan Zhao, Dr. Adrian Ruff, Dr. Felipe Conzuelo und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie sowie Prof. Dr. Matthias Rögner vom Lehrstuhl für Pflanzenbiochemie berichtet im renommierten "Journal of the American Chemical Society".

Sauerstoff ist schuld

Die Forscher haben bereits in vorangegangenen Arbeiten gezeigt, dass beim Betrieb der Bioelektrode reaktive Moleküle entstehen, die das Photosystem I schädigen und für die begrenzte Lebensdauer der Bioelektrode verantwortlich sind. Diese reaktiven Spezies entstehen durch Sauerstoff, der als Elektronenakzeptor fungiert. "Daher haben wir das Design von Bioelektroden vorgeschlagen, die in einer sauerstofffreien Umgebung arbeiten", erklärt Felipe Conzuelo.

Schritt zur Anwendung

Tests haben nun belegt, dass sich die Lebensdauer der Bioelektroden unter Ausschluss von Sauerstoff gegenüber dem Betrieb unter dem Einfluss von Sauerstoff deutlich erhöht. "Wir haben damit einen wichtigen Schritt zur effizienten Entwicklung und späteren Anwendung von Photobioelektroden zur Energieumwandlung gemacht", so Fangyuan Zhao.

 

Zusätzliche Info

Originalveröffentlichung: F. Zhao, A. Ruff, M. Rögner, W. Schuhmann, F. Conzuelo: Extended operational lifetime of a photosystem-based bioelectrode, in: Journal of the American Chemical Society, 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b13869

Pressemitteilung von RUB

Leading actor: the solvent

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