Effizienz der Kraftstoffherstellung im Labor um 18-faches verbessert

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Natur-inspirierte Konzepte zur Umwandlung von CO2

Forscher der Universität Cambridge haben ein effizientes Konzept zur Umwandlung von Kohlendioxid in saubere, nachhaltige Kraftstoffe entwickelt, ohne dass dabei unerwünschte Nebenprodukte oder Abfälle entstehen. Die Wissenschaftler hatten bereits gezeigt, dass biologische Katalysatoren oder Enzyme Kraftstoffe auf saubere Weise aus erneuerbaren Energiequellen herstellen können, allerdings mit geringer Effizienz. Ihre jüngsten Forschungsarbeiten haben die Effizienz der Kraftstoffherstellung im Labor um das 18-fache verbessert und gezeigt, dass umweltschädliche Kohlenstoffemissionen effizient und ohne Energieverschwendung in grüne Kraftstoffe umgewandelt werden können. Die Ergebnisse werden in zwei verwandten Artikeln in Nature Chemistry und Proceedings of the National Academy of Sciences. veröffentlicht.

Synthetische Kraftstoffe: Zapfhähne für OME H2 und Solarstrom – Bild – m. frdl. Genehmigung© PPP Schlögl, MPI CEC

Bei den meisten Methoden zur Umwandlung von CO2 in Kraftstoff entstehen unerwünschte Nebenprodukte wie Wasserstoff. Wissenschaftler können die chemischen Bedingungen ändern, um die Wasserstoffproduktion zu minimieren, aber dies verringert auch die Leistung bei der CO2-Umwandlung: So kann sauberer Kraftstoff produziert werden, allerdings auf Kosten der Effizienz.

Der in Cambridge entwickelte Konzeptnachweis stützt sich auf aus Bakterien isolierte Enzyme, welche die chemischen Reaktionen zur Umwandlung von CO2 in Kraftstoff antreiben – Elektrolyse. Enzyme sind effizienter als andere Katalysatoren, wie z. B. Gold, aber sie sind sehr empfindlich gegenüber ihrer lokalen chemischen Umgebung. Stimmt das lokale Umfeld nicht, fallen die Enzyme auseinander und die chemischen Reaktionen laufen nur langsam ab.

Die Cambridge-Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem Team der Universidade Nova de Lisboa in Portugal eine Methode entwickelt, um die Effizienz der Elektrolyse zu verbessern, indem sie die Lösungsbedingungen fein abstimmen, um die lokale Umgebung der Enzyme zu verändern.

„Enzyme haben sich im Laufe von Millionen von Jahren so entwickelt, dass sie extrem effizient und selektiv sind, und sie eignen sich hervorragend für die Kraftstoffherstellung, da keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen“, so Esther Edwardes Moore vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, Erstautorin der PNAS-Studie. „Die Empfindlichkeit der Enzyme stellt uns jedoch vor eine Reihe anderer Herausforderungen. Unsere Methode berücksichtigt diese Empfindlichkeit, so dass die lokale Umgebung so angepasst wird, dass sie den idealen Arbeitsbedingungen des Enzyms entspricht“.

Die Forscher verwendeten Berechnungsmethoden, um ein System zur Verbesserung der CO2-Elektrolyse zu entwerfen. Mit dem enzymbasierten System konnte die Kraftstoffproduktion im Vergleich zur derzeitigen Referenzlösung um das 18-fache gesteigert werden.

Um die lokale Umgebung weiter zu verbessern, zeigte das Team, wie zwei Enzyme zusammenarbeiten können, wobei eines den Kraftstoff produziert und das andere die Umgebung kontrolliert. Sie fanden heraus, dass die Hinzufügung eines weiteren Enzyms die Reaktionen beschleunigte, was sowohl die Effizienz erhöhte als auch unerwünschte Nebenprodukte reduzierte.

„Am Ende hatten wir genau den Kraftstoff, den wir wollten, ohne Nebenprodukte und mit nur geringfügigen Energieverlusten, so dass wir saubere Kraftstoffe mit maximaler Effizienz herstellen konnten“, so Sam Cobb, Erstautor des Artikels in Nature Chemistry. „Indem wir uns von der Biologie inspirieren lassen, können wir bessere synthetische Katalysatorsysteme entwickeln, die wir brauchen, wenn wir die CO2-Elektrolyse in großem Maßstab einsetzen wollen.“

Große Fortschritte bei der Entwicklung synthetischer Katalysatoren

„Die Elektrolyse spielt eine große Rolle bei der Verringerung der Kohlenstoffemissionen“, sagte Professor Erwin Reisner, der die Forschung leitete. „Anstatt CO2 abzuscheiden und zu lagern, was unglaublich energieintensiv ist, haben wir ein neues Konzept demonstriert, um Kohlenstoff abzuscheiden und daraus auf energieeffiziente Weise etwas Nützliches zu machen.“

Nach Ansicht der Forscher liegt das Geheimnis einer effizienteren CO2-Elektrolyse in den Katalysatoren. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Entwicklung synthetischer Katalysatoren erzielt, aber sie reichen immer noch nicht an die in dieser Arbeit verwendeten Enzyme heran.

„Sobald es gelingt, bessere Katalysatoren herzustellen, verschwinden viele der Probleme mit der CO2-Elektrolyse von selbst“, so Cobb. „Wir zeigen der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dass wir, sobald wir die Katalysatoren der Zukunft herstellen können, in der Lage sein werden, viele der Kompromisse, die derzeit gemacht werden, zu beseitigen, da das, was wir von Enzymen lernen, auf synthetische Katalysatoren übertragen werden kann“.

„Sobald wir das Konzept entworfen hatten, war die Verbesserung der Leistung verblüffend“, so Edwardes Moore. „Ich war besorgt, dass wir Jahre brauchen würden, um zu verstehen, was auf molekularer Ebene vor sich geht, aber als wir den Einfluss der lokalen Umgebung erst einmal richtig verstanden hatten, entwickelte sich das Konzept wirklich schnell.“

„In Zukunft wollen wir das Gelernte nutzen, um einige schwierige Probleme anzugehen, mit denen die derzeit modernsten Katalysatoren zu kämpfen haben, wie z. B. die Verwendung von CO2 direkt aus der Luft, da dies Bedingungen sind, bei denen die Eigenschaften von Enzymen als ideale Katalysatoren wirklich glänzen können“, so Cobb.

Erwin Reisner ist Fellow am St John’s College in Cambridge. Sam Cobb ist Forschungsstipendiat des Darwin College, Cambridge. Esther Edwardes Moore schloss ihre Doktorarbeit am Corpus Christi College in Cambridge ab. Die Forschungsarbeiten wurde zum Teil vom Europäischen Forschungsrat, dem Leverhulme Trust und dem Engineering and Physical Sciences Research Council unterstützt.

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