Der Neue Wiesentbote

Es muss nicht immer Koh­len­stoff sein

Eine neue Stu­die zeigt: Kup­fer ist ein her­vor­ra­gend geeig­ne­tes Mate­ri­al für mikro­biel­le Brennstoffzellen

Mikro­biel­le Brenn­stoff­zel­len beru­hen, dar­in ist sich die For­schung einig, auf einem hoch­in­ter­es­san­ten Prin­zip für die Ener­gie­ge­win­nung. Sie nut­zen leben­de Mikro­or­ga­nis­men unmit­tel­bar für die Erzeu­gung von elek­tri­schem Strom. Freie Elek­tro­nen, die bei Stoff­wech­sel­pro­zes­sen die­ser Orga­nis­men ent­ste­hen, wer­den auf die Anode der Brenn­stoff­zel­le gelei­tet und set­zen hier – unter­stützt von einer gerin­gen elek­tri­schen Span­nung – einen Strom­kreis­lauf in Gang. Damit sol­che Brenn­stoff­zel­len in grö­ße­rem Umfang für die Strom­erzeu­gung ein­ge­setzt wer­den kön­nen, müs­sen ihre Anoden aller­dings aus einem Mate­ri­al gefer­tigt sein, das einer­seits mög­lichst kosten­gün­stig ist und ande­rer­seits eine hohe elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit besitzt. Bis­her galt Koh­len­stoff wegen sei­ner Ver­träg­lich­keit mit leben­den Orga­nis­men, sei­ner Sta­bi­li­tät und der rela­tiv gerin­gen Her­stel­lungs­ko­sten als das­je­ni­ge Mate­ri­al, das am ehe­sten für die Anoden mikro­biel­ler Brenn­stoff­zel­len infra­ge kommt. Doch die ein­ge­schränk­te Leit­fä­hig­keit koh­len­stoff­hal­ti­ger Fasern hat dazu geführt, dass mikro­biel­le Brenn­stoff­zel­len als eine im Prin­zip reiz­vol­le, aber im Hin­blick auf grö­ße­re tech­no­lo­gi­sche Anwen­dun­gen wenig ergie­bi­ge Ener­gie­quel­le ange­se­hen wurden.

Neue Unter­su­chun­gen, die ein Team um Prof. Dr. Andre­as Grei­ner (Uni­ver­si­tät Bay­reuth) und Prof. Dr. Uwe Schrö­der (TU Braun­schweig) kürz­lich in der Fach­zeit­schrift „Ener­gy & Envi­ron­men­tal Sci­ence“ vor­ge­stellt hat, kom­men nun aber zu einem uner­war­te­ten Ergeb­nis: Kup­fer ist ein Mate­ri­al, das für die Anoden mikro­biel­ler Brenn­stoff­zel­len und ver­wand­ter bio­elek­tro­che­mi­scher Syste­me her­vor­ra­gend geeig­net ist. Über­ra­schend ist die­ser Befund des­halb, weil Kup­fer bis­her als ein Metall ein­ge­stuft wur­de, auf des­sen Ober­flä­che sich auf Dau­er kei­ne Mikro­or­ga­nis­men ansie­deln kön­nen. Dabei hat man jedoch über­se­hen, dass die­se anti­mi­kro­biel­le Wir­kung sich nicht gegen elek­tro­che­misch akti­ve Mikro­or­ga­nis­men auf Anoden rich­tet. Ins­be­son­de­re Bak­te­ri­en der Gat­tung Geo­b­ac­ter bil­den auf Kup­fer-Anoden eine sta­bi­le mikro­biel­le Schicht, die in der Regel dicker ist als die ent­spre­chen­de Schicht auf den bis­her übli­chen Koh­len­stoff-Fasern. Dies gilt auch für die mikro­biel­le Schicht, die auf Anoden aus Gold oder Sil­ber ent­steht und hin­sicht­lich ihrer Dicke nur wenig hin­ter dem ‚Bio­film‘ auf Kup­fer-Anoden zurück­bleibt. Wie Kup­fer galt auch Sil­ber bis­her als ein aus­nahms­los anti­mi­kro­biel­les Metall. Es war ins­be­son­de­re der Bay­reu­ther Dok­to­rand Mar­kus Lang­ner, der ver­schie­de­ne Metal­le dar­auf­hin gete­stet hat, inwie­weit sie als Mate­ria­li­en für Anoden geeig­net sind.

Kup­fer hat den ent­schei­den­den Vor­teil, dass es im Ver­gleich mit Koh­len­stoff-Fasern eine erheb­lich höhe­re elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit hat. Zudem haben die Wis­sen­schaft­ler in Bay­reuth und Braun­schweig errech­net, dass Kup­fer-Anoden deut­lich preis­gün­sti­ger sind. Die­ser Unter­schied wird erst dann klar erkenn­bar, wenn man nicht allein die Roh­stoff­prei­se für Kup­fer und Koh­len­stoff, son­dern zugleich die Mate­ri­al­men­gen in Betracht zieht, die für funk­ti­ons­fä­hi­ge Anoden in mikro­biel­len Brenn­stoff­zel­len tat­säch­lich benö­tigt wer­den. Weil Kup­fer eine sehr gute elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit hat, kön­nen Kup­fer-Anoden sehr dünn sein, so dass Mate­ri­al ein­ge­spart wird. „Unse­re For­schungs­er­geb­nis­se zei­gen, dass sich mit Kup­fer-Anoden die Lei­stungs­fä­hig­keit bio­elek­tro­che­mi­scher Syste­me erheb­lich stei­gern, deren Pro­duk­ti­ons­ko­sten aber deut­lich sen­ken las­sen“, erklärt Prof. Dr. Andre­as Grei­ner. „Damit wächst die Chan­ce, dass mikro­biel­le Brenn­stoff­zel­len in Zukunft häu­fi­ger für die Ener­gie­ge­win­nung ein­ge­setzt wer­den und so einen Bei­trag zur ‚Ener­gie­wen­de‘ lei­sten können.“

Ver­öf­fent­li­chung:
André Baud­ler, Igor Schmidt, Mar­kus Lang­ner, Andre­as Grei­ner and Uwe Schröder,
Does it have to be car­bon? Metal anodes in micro­bi­al fuel cells and rela­ted bio­elec­tro­che­mical systems,
in: Ener­gy & Envi­ron­men­tal Sci­ence (2015),
DOI: 10.1039/c5ee00866b

Die For­schungs­ar­bei­ten wur­den von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) gefördert.