Um wertvolle Stoffe aus CO zurückzugewinnen2sie muss in vielen Einzelschritten reduziert werden. Wird hierfür Elektrokatalyse eingesetzt, entstehen viele potenziell unterschiedliche potentielle Moleküle, die nicht unbedingt genutzt werden können. Biokatalysatoren hingegen sind selektiv und produzieren nur ein Produkt – aber sie sind auch sehr empfindlich. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Professor Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum und Dr. Felipe Conzuelo von der Universidade Nova de Lisboa, Portugal, hat eine hybride Katalysekaskade entwickelt, die die Vorteile beider nutzt Prozesse. Das berichten die Forscher im Fachjournal Angewandte Chemie Internationale Ausgabe ab 23. Dezember 2024.
Vor- und Nachteile der Elektrokatalyse und Biokatalyse
Methanol ist einer der Stoffe, die wir aus klimaschädlichem CO gewinnen möchten2. Es wird häufig als Syntheserohstoff in der chemischen Industrie verwendet. „Zur Herstellung von Methanol sind viele Reduktionsschritte erforderlich, da Kohlendioxid die am stärksten oxidierte Form von Kohlenstoff ist“, erklärt Wolfgang Schuhmann. Die Elektrokatalyse ist in der Lage, diese Schritte einzuleiten. Während es im ersten Schritt noch selektiv ist, verzweigt sich der Reaktionsweg dann und es entstehen bis zu 16 verschiedene Produkte, nicht unbedingt Methanol. Anders verhält es sich mit Biokatalysatoren: Diese natürlichen Enzyme katalysieren nur eine Reaktion und liefern daher nur ein Produkt. Allerdings sind sie kompliziert in der Handhabung, sehr empfindlich oder benötigen für die Reaktion Cofaktoren.
Kombination beider Prozesse
Um die Vorteile beider Verfahren zu kombinieren, verband das Team um die Erstautoren Panpan Wang und Xin Wang Elektrokatalyse und Biokatalyse. Während der erste Reaktionsschritt von CO2 Die Bildung von Formiat erfolgt elektrokatalytisch, der zweite und dritte Schritt werden durch Formaldehyd-Dehydrogenase und Alkohol-Dehydrogenase katalysiert. Diese Enzyme benötigen NAD (Nicotinamidadenindinukleotid) als Cofaktor, der durch die katalytische Reaktion verbraucht wird und regeneriert werden muss. Diese Regeneration wird durch ein drittes Enzym erreicht. Schließlich entsteht der Wertstoff Methanol. „Die Arbeit beweist, dass solche Hybridkaskaden prinzipiell machbar sind und komplexe, mehrstufige Reaktionen selektiv möglich machen“, fasst Wolfgang Schuhmann zusammen.
