Aktuelle Projekte

ERC STARTING GRANT: REDOX SHIELDS

Biologische oder molekulare Katalysatoren aus erdreichen Elementen werden als wirtschaftlich sinnvolle Alternative zu den knappen Edelmetallen, die derzeit bei der Umwandlung erneuerbarer Energien eingesetzt werden, betrachtet. Ihre Zerbrechlichkeit und O₂-Sensitivität waren jedoch Hindernisse für ihre Einführung in der Industrie. Wir haben kürzlich O₂-Quenchmatrizen zum Schutz von intrinsisch O₂-empfindlichen Katalysatoren für den Einsatz in anodischen (oxidativen) Prozessen vorgeschlagen. Wir haben gezeigt, dass auch Hydrogenasen, die hochempfindlichen Metall-Loenzymen, die H₂ oxidieren, unter den rauen Bedingungen des Brennstoffzellenbetriebs eingesetzt werden können. Versuche, das Konzept zum Schutz kathodischer (reduktiver) Prozesse wie der H₂-Entwicklung umzukehren, waren jedoch bisher erfolglos. In diesem Fall erzeugt die Elektrode die Reduktionsmittel in Form von Elektronen, die sowohl für die H₂-Erzeugung als auch für die reduktive O₂-Quenchung benötigt werden. Die Konkurrenz zwischen den beiden Reaktionen führt zu einem unzureichenden Schutz vor O₂ und zur Deaktivierung des Katalysators. zu entwerfen, der auf H₂ als Ladungsträger basiert, um die reduktive Kraft effizient an die Matrixgrenzen zu leiten und das ankommende O₂ zu löschen. Wir werden neuartige Elektronenmediatoren mit Doppelfunktionalitäten entwickeln, um die reversible H₂/H⁺-Interkonversion zu ermöglichen und die vollständige Reduktion von O₂ zu Wasser zu erreichen. Wir werden uns auf organische Systeme sowie Metallkomplexe auf der Basis erdreichhaltiger Elemente mit abstimmbaren Ligandenkugeln konzentrieren, um deren Redoxpotenziale für die gewünschte Richtung des Elektronenstroms und für eine schnelle O₂-Reduktionskinetik anzupassen. Die synthetischen Bemühungen werden durch elektrochemische Modellierung unterstützt, um die erforderlichen Eigenschaften der Redoxmatrix für einen effizienten Schutz vorherzusagen. Nach der Festlegung des Schutzprinzips werden wir seinen praktischen Nutzen für die Implementierung empfindlicher Biokatalysatoren für die elektrochemische H₂-Entwicklung unter Bedingungen demonstrieren, die für Energieumwandlungsprozesse relevant sind.

ERC PROOF OF CONCEPT: LIVESEN

Ziel von LiveSEN ist es, die Vermarktungsmöglichkeiten eines Nitratbiosensors zu untersuchen, der auf der Grundlage von Erkenntnissen aus dem ERC Starting Grant „REDOX SHIELDS“ entwickelt wurde. Der Biosensor hat das Potenzial, die Erträge in der Landwirtschaft durch den optimierten Einsatz von Stickstoffdüngemitteln um 5 bis 10% zu steigern. Dadurch werden Kosten für Landwirte und Öffentlichkeit eingespart und die Umweltbelastung, insbesondere die Wasserressourcen, reduziert. Dieser Biosensor wurde für den Einsatz durch ungeschulte Anwender entwickelt, um genaue Nitratwerte in Echtzeit zu erhalten.
Stickstoff, ein für das Pflanzenwachstum essentieller Nährstoff, wird in der Landwirtschaft in großen Mengen eingesetzt, um eine ausreichende Verfügbarkeit der Pflanzen zu gewährleisten. Diese Praxis birgt jedoch das Risiko einer Überdüngung mit negativen wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen. Unser Ziel ist es, einen kommerziellen Service zu entwickeln, der einen Nitratbiosensor in ein globales Düngemanagementsystem integriert, das die Landwirte über den aktuellen Stickstoffgehalt ihrer Kulturen informiert und ihnen Düngeempfehlungen gibt. Der elektrochemische Nitratbiosensor wurde auf der Grundlage von Erkenntnissen aus dem ERC Starting Grant „REDOX SHIELDS“ entwickelt. Ein Cloud-Computing-System analysiert einzelne Messungen für die Lieferung von Stickstoffempfehlungen. Darüber hinaus werden die Biosensor-Ergebnisse aller Landwirte in einer bestimmten geografischen Region mit Informationen aus anderen Quellen (z.B. Wetterinformationen/Simulationen, Satellitenbilder aus dem ESA Copernicus Project, topografische Karten) kombiniert, um lokale N-Trendkarten zu erstellen und Prognosen für den N-Bedarf zu berechnen. Diese Informationen werden in Echtzeit aktualisiert und können von den Landwirten über eine Smartphone-Anwendung bequem online abgerufen werden. Innerhalb der App werden die Empfehlungen dem Endverbraucher als lokale und regionale Trendkarten präsentiert, die sowohl aktuelle Werte als auch prognostizierte Trends in N-Niveaus anzeigen (Abbildung 1). Basisinformationen (z.B. niedrigauflösende Karten ohne Düngeempfehlung) werden jedem kostenlos zur Verfügung gestellt, während detailliertere Informationen (z.B. N-Bedarfs-Vorhersagen und Warnmeldungen) über einen abonnementbasierten Dienst abgerufen werden können. LiveSEN wird dazu beitragen, die heute verbrauchte Stickstoffdüngermenge deutlich zu reduzieren, und zwar auf der Grundlage von zwei Hauptfaktoren:

1. Die Einfachheit, Genauigkeit und Fehlersicherheit des Biosensors wird es den Landwirten ermöglichen, zuverlässige Daten für die Echtzeit-Düngungsempfehlung „vor Ort“ und für die regionale N-Überwachung zu liefern.
2. Die sofortige Online-Zugänglichkeit und Zuverlässigkeit der regionalen N-Trendkarten wird Sensorkampagnen von benachbarten Landwirten auslösen, die die Empfehlungsgenauigkeit erhöhen.

Im Rahmen des ERC Starting Grants „REDOX SHIELDS“ haben wir Leitmatrizen zum Schutz von Redox-Enzymen entwickelt, die es uns ermöglichen, elektrochemische Einweg-Biosensoren für die In-Field-Quantifizierung von Nitrat herzustellen. Diese Biosensoren sind für den Einsatz durch ungeübte Anwender zur schnellen und genauen Bestimmung des Nitratgehalts in flüssigen Proben konzipiert. Unser Nitratbiosensor ist unempfindlich gegen Umgebungsfaktoren wie Sauerstoff, Temperatur oder gelöste Ionen, die bestehende Technologien daran hindern, eine genaue Bestimmung des Nitratspiegels in komplexen Matrizen wie Pflanzenproben direkt auf dem Feld zu liefern. Darüber hinaus benötigt der Sensor keine Probenvorbereitung und ist kalibrierfrei, was schnelle Messungen ermöglicht. Wir haben funktionierende Prototypen mit Einweg-Druckelektroden hergestellt, die bereits in einer Laborumgebung getestet wurden.