Kontrollierte Elektrodenstrukturierung für (bio)elektrochemische Anwendungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des EU-Projektes ERUDESP angefertigt, wobei eine bioelektrochemische Durchflusszelle für eine enantiomerenreine Bioelektrosynthese konzipiert wurde. Die durchgeführten Arbeiten beinhalten Zelldesign, Mediatorenscreening und Entwicklung verschiedener elektroorganischer und elektroenzymatischer Reaktionen in einer Batchzelle. Endziel war die Hochskalierung (bio)elektrochemischer Reaktionen in der Durchflusszelle. Die Synthese drei-dimensionaler makroporöser Elektroden wurde mittels der Langmuir-Blodgett-Technik und der kontrollierten Evaporierung mit anschließender Elektroabscheidung von Metallen und Metalloxiden durchgeführt. Die Elektroabscheidung erfolgte in die Zwischenräume des zuvor präparierten kolloidalen Kristalls aus monodispersen Polystyrolpartikeln, welche anschließend chemisch aufgelöst wurdenr. Die porösen Materialien besitzen eine sehr gute offenporige Interkonnektivität und eine deutlich vergrößerte aktive Oberfläche. Für die direkte NADH-Oxidation wurden poröse Rutheniumoxidelektroden mit signifikant verbesserter Überspannung entwickelt. Basierend auf dem ERUDESP-Projekt wurde ein erneuerbares makroporöses Elektrodensystem aufgebaut. Des Weiteren wurden makroporöse Mikroelektroden aus Rutheniumoxid für pH-Messungen mit verbessertem thermischem Rauschen und makroporöse Mikroelektroden zur Anwendung als Implantat für die Handprothetik hergestellt. Außerdem wurden makroporöse Multikatalysatorschichten zur in-situ Wasserstofferzeugung mit simultan ablaufender Hydrierungsreaktion entwickelt. Als eine weitere kontrollierte Oberflächenstrukturierung wurden nanoskalige Platininseln mit anschließender Biofunktionalisierung hergestellt, die eine signifikante Verstärkung der Stromdichte zeigten.

The present work has been prepared within the framework of the European project ERUDESP and a bioelectrochemical flow-cell was designed for an enantiopure bioelectrosynthesis. Cell design, mediator screening and development of various electroorganic and electroenzymatic reactions in a batch-cell were performed. The ultimate goal was upscaling of (bio)electrochemical reactions in the flow-cell. The synthesis of three-dimensional macroporous electrodes was carried out by using the Langmuir-Blodgett technique and the controlled evaporation method with subsequent electrodeposition of metals andmetal oxides . Electrodeposition was done into the interstices of the previously prepared colloidal crystal of monodisperse polystyrene particles followed by particle dissolution. The porous materials possess very good open porous interconnectivity and a significantly larger active surface area. Porous ruthenium oxide electrodes with significantly improved overvoltage for direct oxidation of NADH were developed. Based on the ERUDESP project, a renewable macroporous electrode system was established. In addition, macroporous ruthenium oxide microelectrodes for pH measurements with improved thermal noise and macroporous microelectrodes for the application as implants in hand prosthesis were built. Furthermore, macroporous multicatalyst layers were developed for in-situ hydrogen generation with simultaneous hydrogenation reaction. As a further controlled surface patterning, nanoscale platinum islands with subsequent biofunctionalization were made, which showed a significant enhancement of current density.