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Elektrokatalyse trifft Biokatalyse Hybride Katalyse: Wie CO2 effizient zu Methanol wird

Quelle: Ruhr-Universität Bochum 2 min Lesedauer

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Ein Forschungsteam hat eine hybride Katalysekaskade entwickelt, die Elektrokatalyse und Biokatalyse kombiniert, um klimaschädliches CO2 effizient in Methanol umzuwandeln. Der Ansatz vereint die Präzision natürlicher Enzyme mit der Robustheit elektrochemischer Verfahren und ebnet den Weg für nachhaltige Chemie.

Erstautorin Panpan Wang hat die Katalysekaskade im Labor getestet.(Bild: RUB/ Marquard)
Erstautorin Panpan Wang hat die Katalysekaskade im Labor getestet.
(Bild: RUB/ Marquard)

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. 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 hat eine hybride Katalysekaskade entwickelt, die sich die Vorteile beider Verfahren zunutze macht.

Methanol gehört zu den Stoffen, die man gerne aus klimaschädlichem CO2 gewinnen würde. Es dient vielfach als Syntheserohstoff in der Chemischen Industrie. „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. Aber 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 nur ein Endprodukt. Dafür sind sie aber kompliziert zu handhaben, sehr empfindlich oder benötigen Kofaktoren für die Reaktion.

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Um die Vorteile beider Verfahren zu kombinieren, verheiratete das Team um die Erstautorinnen Panpan Wang und Xin Wang die Elektro- 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. Schließlich entsteht so der Wertstoff Methanol.

„Die Arbeit belegt, dass solche hybriden Kaskaden prinzipiell möglich sind und komplexe, vielschrittige Reaktionen selektiv möglich machen“, fasst Wolfgang Schuhmann zusammen.

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, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202422882

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