Um das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) fixieren und für den Aufbau von Biomasse nutzen zu können, ist eine effiziente Katalyse notwendig. Hierfür lassen sich sowohl die Elektro- als auch die Biokatalyse einsetzen, die ihre jeweiligen Vor- und Nachteile haben. Die Biokatalyse etwa stellt selektiv nur ein Produkt her, ist jedoch viel empfindlicher als die Elektrokatalyse. Mit hybriden Katalysatoren könnten sich die Vorteile beider Verfahren nutzen lassen.

Neue Katalyse für die Methanolgewinnung

Einem Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum und der Universidade Nova de Lisboa in Portugal ist es nun gelungen, solch eine hybride Katalyse zu entwickeln. Im Fachjournal „Angewandte Chemie“ beschreibt es seinen Ansatz zur Herstellung von Methanol aus CO₂. 

Methanol ist ein wertvoller Syntheserohstoff in der chemischen Industrie, der auch als Lösungsmittel und Treibstoff Verwendung findet. Ganz einfach lässt sich Methanol allerdings nicht erzeugen. „Um zu Methanol zu gelangen, braucht es viele Schritte der Reduktion, denn Kohlenstoffdioxid ist die höchstoxidierte Form des Kohlenstoffs“, erklärt der leitende Autor der Studie, Wolfgang Schuhmann.

Enzyme gewährleisten Selektivität

Um diese Schritte in die richtige Bahn zu lenken, kombinierten die Forschenden die Elektro- und Biokatalyse. Der erste Reaktionsschritt in der hybriden Katalysekaskade von CO₂ zu Formiat (Ameisensäure) läuft an der Gasdiffusions-Elektrode elektrokatalytisch ab. In den weiteren Schritten ist der verwendete Silber-Bismutoxid-Katalysator allerdings nicht selektiv genug. Bis zu 16 Produkte können neben Methanol entstehen. 

Deshalb übernimmt der Biokatalysator die weiteren Schritte. Um die empfindlichen Enzyme Formaldehyd-Dehydrogenase und Alkohol-Dehydrogenase zu stabilisieren, haben die Forschenden sie in eine Polymermatrix eingebettet. So wurde Formiat schrittweise in Formaldehyd und schließlich Methanol umgewandelt. 

Diese Enzyme können den Forschenden zufolge zwar genau diese Reaktion katalysieren und nur Methanol als Endprodukt liefern. Allerdings benötigen sie als Kofaktor für die Reaktion NAD (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid). Ein drittes Enzym, die Diaphorase, wird daher eingesetzt, um die verbrauchten Kofaktoren zu reduzieren und somit zu regenerieren.

Machbarkeitsnachweis für hybride Katalyse

Der hybride Enzym-Elektrokatalysator soll das weltweit erste Beispiel für eine hybride Reaktionskaskade unter Verwendung einer Gasdiffusions-Elektrode darstellen. „Die Arbeit belegt, dass solche hybriden Kaskaden prinzipiell möglich sind und komplexe, vielschrittige Reaktionen selektiv möglich machen“, erklärt Schuhmann. 

Weitere Arbeiten zur Optimierung der Katalyse werden bis Ende 2025 im Projekt „Catalytic cascade reactions“ durch das Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert.

ck