Hybride Katalysekaskade
Anorganische und Biokatalysatoren reduzieren gemeinsam CO2
Um aus CO2 wertvolle Stoffe zurückzugewinnen, muss es in vielen einzelnen Schritten reduziert werden. Nutzt man dafür die Elektrokatalyse, bilden sich dabei viele potenziell verschiedene Moleküle, die man nicht unbedingt nutzen kann. Biokatalysatoren dagegen sind selektiv und stellen nur ein Produkt her – dafür sind sie aber auch sehr empfindlich. Die Vorteile beider Verfahren kombiniert nun ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum und Dr. Felipe Conzuelo von der Universidade Nova de Lisboa. Sie haben eine hybride Katalysekaskade entwickelt.
Vor- und Nachteile der Elektro- und Biokatalyse
Methanol ist einer der Stoffe, die man gerne aus klimaschädlichem CO2 gewinnen möchte. Es wird als Syntheserohstoff in der Chemischen Industrie benötigt. „Um zu Methanol zu gelangen, braucht es viele Schritte der Reduktion, denn Kohlenstoffdioxid ist die höchstoxidierte Form des Kohlenstoffs“, erklärt Wolfgang Schuhmann.
Die Elektrokatalyse ist in der Lage, diese Schritte einzuleiten. Die Schwierigkeit: Während sie im ersten Schritt noch selektiv ist, verzweigt sich der Reaktionspfad danach, und es entstehen bis zu 16 verschiedene Produkte - nicht unbedingt Methanol.
Anders liegt der Fall bei Biokatalysatoren: Diese natürlichen Enzyme katalysieren nur genau eine Reaktion und liefern daher auch nur ein Endprodukt. Dafür sind sie aber kompliziert zu handhaben. Sie sind sehr empfindlich oder benötigen Kofaktoren für die Reaktion.
Die Idee: Vorteile beider Verfahren vereinen
Um die Vorteile beider Verfahren zu kombinieren, verheiratete das Forschungsteam die Elektrokatalyse und die Biokatalyse. Während der erste Reaktionsschritt von CO2 zu Formiat elektrokatalytisch abläuft, werden der zweite und dritte Schritt durch die Formaldehyd-Dehydrogenase und Alkohol-Dehydrogenase katalysiert.
Diese Enzyme benötigen als Kofaktor NAD (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid), das sich durch die Katalyse verbraucht und regeneriert werden muss. Diese Regeneration gelingt durch ein drittes Enzym. Auf diese Weise entsteht letzendlich der Wertstoff Methanol.
„Die Arbeit belegt, dass solche hybriden Kaskaden prinzipiell möglich sind und komplexe, vielschrittige Reaktionen selektiv möglich machen“, fasst Wolfgang Schuhmann zusammen.
Förderung
Die Arbeiten wurden durch den Europäischen Forschungsrat ERC im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (CasCat 833408) und FCT – Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (2022.07024.PTDC) finanziell unterstützt.
Originalpublikation:
Panpan Wang, Xin Wang, Shubhadeep Chandra, Anna Lielpetere, Thomas Quast, Felipe Conzuelo, Wolfgang Schuhmann: Hybrid Enzyme-Electrocatalyst Cascade Modified Gas-Diffusion Electrodes for Methanol Formation from Carbon Dioxide, in: Angewandte Chemie, 2024, DOI: 10.1002/anie.202422882
Quelle: Ruhr-Universität Bochum
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