Wie die Natur – CO2 mithilfe von Nanopartikeln in Rohstoffe umwandeln
Enzyme nutzen Kaskadenreaktionen, um komplexe Moleküle aus vergleichsweise simplen Rohstoffen herzustellen. Das Prinzip haben Forscher sich abgeschaut
Peter O’Mara aus Sydney (links) und Patrick Wilde aus Bochum arbeiten an einer elektrochemischen Zelle für die CO2-Reduktion © RUB, Kramer
Ein internationales Forschungsteam hat Kohlendioxid mithilfe von Nanopartikeln in Rohstoffe umgewandelt. Das Prinzip dafür schauten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum und University of New South Wales in Australien von Enzymen ab, die komplexe Moleküle in vielschrittigen Reaktionen herstellen. Diesen Mechanismus übertrug das Team auf metallische Nanopartikel, auch Nanozyme genannt. So erzeugten die Chemiker aus Kohlendioxid Ethanol und Propanol, die häufige Ausgangsstoffe für die chemische Industrie sind.
Das Team um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie sowie Prof. Dr. Corina Andronescu von der Universität Duisburg-Essen berichtet gemeinsam mit dem australischen Team um Prof. Dr. Justin Gooding und Prof. Dr. Richard Tilley im Journal of the American Chemical Society vom 25. August 2019.
„Die Kaskadenreaktionen der Enzyme auf katalytisch aktive Nanopartikel zu übertragen, könnte ein entscheidender Schritt im Design von Katalysatoren sein“, resümiert Wolfgang Schuhmann.
Partikel mit zwei aktiven Zentren
Enzyme besitzen für Kaskadenreaktionen verschiedene aktive Zentren, die auf bestimmte Reaktionsschritte spezialisiert sind. So kann ein einziges Enzym aus einem vergleichsweise einfach aufgebauten Ausgangsstoff ein komplexes Produkt erzeugen. Um dieses Konzept nachzuahmen, synthetisierten die Forscherinnen und Forscher ein Partikel mit einem Silberkern, das von einer porösen Schicht aus Kupfer umgeben ist. Der Silberkern dient als erstes aktives Zentrum, die Kupferschicht als zweites. Zwischenprodukte, die im Silberkern gebildet werden, reagieren anschließend in der Kupferschicht weiter zu komplexeren Molekülen, die letztendlich das Partikel verlassen.
In der vorliegenden Arbeit zeigte das deutsch-australische Team, dass in den Nanozymen die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid stattfinden kann. Mehrere Reaktionsschritte am Silberkern und Kupfermantel verwandeln den Ausgangsstoff zu Ethanol oder Propanol.
„Es gibt auch andere Nanopartikel, die diese Produkte ohne Kaskadenprinzip aus CO2 herstellen können“, sagt Wolfgang Schuhmann. „Allerdings benötigen sie deutlich mehr Energie.“
Die Forscherinnen und Forscher wollen das Konzept der Kaskadenreaktion in Nanopartikeln nun weiterentwickeln, um selektiv noch wertvollere Produkt wie Ethylen oder Butanol herstellen zu können.
Das Forschungsteam: Corina Andronescu, Wolfgang Schuhmann, Patrick Wilde, J. Justin Gooding und Peter O’Mara (von links) © RUB, Kramer
Über die Universitätsallianz Ruhr
Seit 2007 arbeiten die drei Ruhrgebietsuniversitäten unter dem Dach der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr) strategisch eng zusammen. Durch Bündelung der Kräfte werden die Leistungen der Partneruniversitäten systematisch ausgebaut. Unter dem Motto „gemeinsam besser“ gibt es inzwischen über 100 Kooperationen in Forschung, Lehre und Verwaltung. Mit mehr als 120.000 Studierenden und nahezu 1.300 Professorinnen und Professoren gehört die UA Ruhr zu den größten und leistungsstärksten Wissenschaftsstandorten Deutschlands.
Förderung
Die Arbeiten wurden finanziell unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 2033, Projekt 390677874), dem Europäischem Forschungsrat im Programm Horizon 2020 (Grant-Nummer 833408), dem Deutschen Akademischen Austauschdienst im Rahmen des Projekts 57446293 und der Ruhr University Research school Plus, finanziert durch die Exzellenzinitiative (DFG GSC 98/3). Weitere Förderung kam vom Australian Research Council im Rahmen des Centre of Excellence in Convergent Bio-Nano Science and Technology (CE140100036) und eines Australian Laureate Fellowship (FL150100060), vom Discovery Project (DP190102659), und dem Mark Wainwright Analytical Centre an der University of New South Wales.
Originalveröffentlichung
Peter B. O’Mara, Patrick Wilde, Tania M. Benedetti, Corina Andronescu, Soshan Cheong, J. Justin Gooding, Richard D. Tilley, Wolfgang Schuhmann: Cascade reactions in nanozymes: spatially separated active sites inside Ag-core–porous-Cu-shell nanoparticles for multistep carbon dioxide reduction to higher organic molecules, in: Journal of the American Chemical Society, 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b07310
Source: Ruhr-Universität Bochum, Pressemitteilung, 2019-09-27.