Nanogroße Materialien, die Enzyme nachahmen, könnten CO₂ in chemische Bausteine ​​umwandeln

Der Forscher James Crawford von der Montana State University veröffentlichte kürzlich gemeinsam mit dem National Renewable Energy Laboratory eine Arbeit, die einen Fortschritt bei der Suche nach dem darstellt, was er den „Heiligen Gral“ der Chemie nennt: die Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid in chemische Bausteine, die zur Herstellung unzähliger anderer Materialien verwendet werden könnten.

Das Papier mit dem Titel „High Selectivity Reactive Carbon Dioxide Capture over Zeolite Dual-Functional Materials“ wurde veröffentlicht im Journal ACS-KatalyseAuf der Titelseite der Zeitschrift ist eine Illustration des Kohlendioxid-Umwandlungsprozesses im Atommaßstab abgebildet.

„Wir haben erfolgreich Kohlendioxid abgeschieden und es dann mithilfe funktionalisierter mikroporöser Materialien in Methan und Kohlenmonoxid umgewandelt“, sagte Crawford, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen am Norm Asbjornson College of Engineering der MSU. „Methan ist eine Energiequelle, die mit der bestehenden Erdgasinfrastruktur kompatibel ist. Kohlenmonoxid hat einen schlechten Ruf, erweist sich aber als unverzichtbarer Reaktant bei der Erzeugung synthetischer Kraftstoffe und Chemikalien.“

Das Element Kohlenstoff kommt in allen Lebewesen vor. Es ist das zweithäufigste Element im menschlichen Körper und das vierthäufigste im Universum. Es kommt in Biokraftstoffen, Chemikalien, Textilien und Baumaterialien vor. Es ist auch ein titelgebendes Element in Kohlendioxid, allgemein bekannt als CO2, das weniger als 1 % der Erdatmosphäre ausmacht. Das farb- und geruchlose, wärmespeichernde Gas wird nicht nur von Menschen ausgeatmet, sondern ist auch ein Nebenprodukt der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Erdgas, Benzin und Kohle.

Bestehende Methoden zur Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre zielen überwiegend auf die Speicherung des Gases ab, statt es in neue Produkte umzuwandeln.

„Wir versuchen, eine andere Möglichkeit zur CO2-Bindung einzuführen, indem wir es mit chemischen Bindungen binden“, sagte Crawford, der auch dem Energy Research Institute und dem Center for Biofilm Engineering der MSU angehört. „Wenn man atmosphärische Gase wie Kohlendioxid und Wasser in Kohlenmonoxid und Wasserstoff umwandeln kann, kann man sie kombinieren, um praktisch jeden Kohlenwasserstoff herzustellen.“

Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, die vollständig aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen und daher als Bausteine ​​für viele chemische Verbindungen und Materialien dienen.

„Biologische Katalysatoren oder Enzyme recyceln seit Milliarden von Jahren atmosphärische Gase“, sagte er. „Meine Gruppe ist daran interessiert, mehr über Enzyme zu erfahren und ihre Funktion in robusten Feststoffkatalysatoren zu kopieren. Dies würde ihren Einsatz in rauen industriellen Prozessen ermöglichen.“

Sein Team interessiert sich für Materialien, die gezielt CO2 aus der Luft aufnehmen und Reaktionen ermöglichen, die die chemische Identität des Moleküls verändern. „Diese Katalysatoren müssen CO2-Bindungsstellen sowie reaktive Strukturen haben, die eine chemische Rekonstruktion ermöglichen“, sagte Crawford.

Dazu sind Materialien mit anpassbaren Strukturen im Nanomaßstab erforderlich, deren Abmessungen nur Milliardstel Meter betragen. Er interessiert sich insbesondere für zwei Materialien: Zeolithe, keramikähnliche Materialien, und metallorganische Gerüste, die Metallknoten aufweisen, die mit organischen Verbindungsstücken verbunden sind. Beide Materialien verfügen über Mikroporen und chemische „Anpassbarkeit“, um CO2-Abscheidungs- und -Umwandlungsstellen zu schaffen.

„Wir erzeugen Zeolithe und Metall-organische Gerüste im Labor mithilfe eines Prozesses, der Lösungsmittel, Hitze und Druck kombiniert, um die Bildung unserer Katalysatoren voranzutreiben“, sagte Crawford.

Crawford, der einen Bachelor-Abschluss in Chemie- und Bioingenieurwesen an der MSU und anschließend seinen Doktortitel an der Colorado School of Mines erwarb, hofft, dass seine Forschung auf der Grundlage dieser neuen Technologien eines Tages zur Entwicklung effizienterer Nanokatalysatoren mit „biomimetischen“ Eigenschaften führen wird, die also biologische Prozesse nachahmen.

„Die Biologie hat viel davon herausgefunden“, sagte Crawford. „Wir stellen biomimetische Materialien her, die eines Tages in der Lage sein werden, den CO2-Umwandlungsprozess so zu steuern, dass die Chemikalien erzeugt werden, die wir am meisten brauchen.“