Nanopartikel machen aus Kohlendioxid nutzbares Ethanol
Enzyme machen es vor: Sie sind in der Lage, in vielschrittigen Reaktionen komplexe Moleküle herzustellen. Diese Funktionsweise machte sich eine internationale Forschergruppe zunutze. Das Ergebnis: Sie konnte mithilfe von Nanopartikeln Kohlendioxid in Rohstoffe wie Ethanol umwandeln.
Die Wissenschaftler arbeiten an einer elektrochemischen Zelle für die Reduktion von Kohlendioxid.
Foto: RUB, Kramer
Ethanol und Propanol sind Ausgangsstoffe, die man sehr häufig in der chemischen Industrie einsetzt. Dementsprechend groß sind die Mengen, die in diesen Branchen benötigt werden. Das macht sie zu begehrten Rohstoffen. Ein international zusammengesetztes Team aus Wissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum und der University of New South Wales in Australien erforschte deshalb, ob es einen alternativen Weg gibt, diese Rohstoffe herzustellen. Ihr Blick richtete sich auf Enzyme, die sogenannte Kaskadenreaktionen zeigen. Damit sind Reaktionsabfolgen gemeint, die aus mehreren unabhängigen Reaktionsstufen bestehen und die spontan unmittelbar nacheinander ablaufen.
„Die Kaskadenreaktionen der Enzyme auf katalytisch aktive Nanopartikel zu übertragen, könnte ein entscheidender Schritt im Design von Katalysatoren sein“, erklärt Wolfgang Schumann. Dem Professor für Analytische Chemie am Bochumer Zentrum für Elektrochemie ging es darum, zu zeigen, dass es möglich ist, aus schädlichen Gasen nützliche oder ungiftige Stoffe herzustellen. Und das durchaus im größeren, sprich industriellen Maßstab. Um diese Reaktionen zu erzeugen, ist Energie nötig. Die Menge ist dabei sehr unterschiedlich. In der Chemie gilt: Gewählt wird immer der energetisch günstigste Weg. Das bedeutet aber auch, dass man die Reaktionskette nur sehr bedingt beeinflussen kann und dabei durchaus unterschiedliche Produkte entstehen – nicht nur die, die man sich erhofft hat.
Mit Katalysator chemische Reaktionen beeinflussen
Das Besondere an diesen Enzymen, die Kaskadenreaktionen zeigen, ist: Sie verfügen über verschiedene aktive Zentren. Dabei ist jedes dieser Zentren auf bestimmte Schritte innerhalb der Reaktion spezialisiert. Das bedeutet, ein einziges Enzym kann aus einem Stoff, der eher einfach aufgebaut ist, ein durchaus komplexes Produkt entstehen lassen. Dieses Szenario nutzten die Forscher und ahmten es nach. Sie stellten sogenannte Nanozyme her. Das sind künstliche Enzyme, die auf Nanomaterialien basieren. In diesem Fall waren es Partikel mit einem Silberkern – umgeben von einer porösen Schicht aus Kupfer. Die Wissenschaftler setzten gezielt auf zwei verschiedene Komponenten, um zwei verschiedene aktive Zentren zu erzeugen. Zwischenprodukte, die sich im Silberkern bilden, reagieren im Anschluss in der Kupferschicht zu weiteren komplexeren Molekülen. Diese verlassen die Partikel am Ende der Reaktionskette.
Die Forscher wollten durch dieses Vorgehen einen Katalysator schaffen, dessen Orientierung sie definieren können. Das sollte dafür sorgen, dass nur gewünschte Reaktionen in gewünschter Reihenfolge stattfinden und unerwünschte Nebeneffekte ausgeschlossen werden. In ihren Versuchen stellte das deutsch-australische Team fest, dass in diesen Nanozymen die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid stattfinden kann. Die verschiedenen Reaktionsschritte am Silberkern und am Kupfermantel wandelten den Ausgangsstoff in Ethanol und Propanol um. „Es gibt auch andere Nanopartikel, die diese Produkte ohne Kaskadenprinzip aus CO2 herstellen können. Allerdings benötigen sie deutlich mehr Energie“, sagt Schuhmann.
Projekt im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr
Das internationale Forschungsteam plant, ihr Konzept noch weiterzuentwickeln. Ihr Ziel ist es, noch wertvollere Produkte herstellen zu können, zum Beispiel das Pflanzenhormon Ethylen oder das zur Gruppe der Alkanole gehörende Butanol. Das Projekt lief im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr). In dieser Allianz bündeln die drei Ruhrgebietsuniversitäten Ruhr-Universität Bochum, Technische Universität Dortmund und die Universität Duisburg-Essen ihre Kompetenzen und Ressourcen unter dem Motto „gemeinsam besser“. Die Forschungsarbeit wurde von zahlreichen deutschen, europäischen und australischen Gemeinschaften und Instituten finanziell unterstützt.
Alternative Ansätze
Es gibt in der Wissenschaft bereits weitere Vorhaben, CO2 umzuwandeln und sinnvoll zu nutzen. In Island beispielsweise steht eines der größten Erdwärmekraftwerke der Welt. Die Anlage nutzt heißes Wasser, um Elektrizität und Wärme für die Hauptstadt Reykjavik zu erzeugen. Gleichzeitig verwandelt das Kraftwerk Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre in Karbonat. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt arbeiten daran, Flugzeugtreibstoff aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlenstoffdioxid herzustellen. Die Unternehmen BASF, Linde und ThyssenKrupp wollen künftig CO2 in großem Stil zu nutzen, um Synthesegas herzustellen. Ebenfalls beteiligt sind das VDEh-Betriebsforschungsinstitut in Düsseldorf sowie Chemiker der TU Dortmund. Synthesegas dient der chemischen Industrie als wichtiger Rohstoff. Darüber hinaus ist man der Ansicht, daraus besonders schadstoffarm verbrennende Treibstoffe für Autos und Flugzeuge herstellen zu können.
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