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Reversible H2 oxidation and evolution by hydrogenase embedded in a redox polymer film

氢化酶 氧化还原 过电位 催化作用 电子转移 阳极 电催化剂 纳米技术 化学 分解水 阴极 组合化学 化学工程 材料科学 无机化学 光化学 电化学 电极 有机化学 物理化学 工程类 光催化
作者
Steffen Hardt,Stefanie Stapf,Dawit T. Filmon,James A. Birrell,Olaf Rüdiger,Vincent Fourmond,Christophe Léger,Nicolas Plumeré
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:4 (3): 251-258 被引量:49
标识
DOI:10.1038/s41929-021-00586-1
摘要

Efficient electrocatalytic energy conversion requires devices to function reversibly, that is, to deliver a substantial current at a minimal overpotential. Redox-active films can effectively embed and stabilize molecular electrocatalysts, but mediated electron transfer through the film typically makes the catalytic response irreversible. Here we describe a redox-active film for bidirectional (oxidation or reduction) and reversible hydrogen conversion, which consists of [FeFe] hydrogenase embedded in a low-potential, 2,2′-viologen-modified hydrogel. When this catalytic film served as the anode material in a H2/O2 biofuel cell, an open circuit voltage of 1.16 V was obtained—a benchmark value near the thermodynamic limit. The same film also acted as a highly energy efficient cathode material for H2 evolution. We explained the catalytic properties using a kinetic model, which shows that reversibility can be achieved even though intermolecular electron transfer is slower than catalysis. This understanding of reversibility simplifies the design principles of highly efficient and stable bioelectrocatalytic films, advancing their implementation in energy conversion. Integration of biocatalysts into redox films has systematically led to a loss of their intrinsic reversibility. Now, a specially designed redox hydrogel preserves the reversibility of a [FeFe] hydrogenase and the importance of this feature for energy conversion applications is demonstrated.
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