Die Welt braucht umweltfreundlichere Methoden zur Herstellung von Chemikalien. In einer neuen Studie zeigen Forscher der University of Wisconsin-Madison einen möglichen Weg zu diesem Ziel durch die Anpassung von Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologien auf. Diese Technologien werden bereits zum Antrieb einiger Elektrofahrzeuge, Laptops und Mobiltelefone eingesetzt.
„Die chemische Industrie ist ein enormer Energieverbraucher, und es gibt große Anstrengungen zur Dekarbonisierung der Industrie“, sagt Shannon Stahl, Professorin am UW-Madison Department of Chemistry, die einen Großteil der Forschung leitete. „Erneuerbare Elektrizität kann Energie für die Herstellung von Chemikalien liefern, wobei der CO2-Fußabdruck viel geringer ist als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe.“
Beim herkömmlichen Verfahren werden große Mengen an Zinkmetall als Elektronenquelle verwendet, die Handhabung von Zink ist jedoch kompliziert und erzeugt große Mengen umweltschädlichen Abfalls. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Pharmaherstellers Merck & Co. Inc. versuchten Chemiker und Ingenieure der UW-Madison, eine nachhaltigere Methode zur Herstellung von Inhaltsstoffen zu entwickeln, die für die Herstellung vieler Arten von Medikamenten benötigt werden.
Bei ihrer Suche nach einem alternativen Verfahren ließen sich die Forscher von Wasserstoff-Brennstoffzellen inspirieren, die Wasserstoffgas als Elektronenquelle zur Stromerzeugung nutzen.
„Der Prozess, mit dem wir arbeiten, benötigt eine grüne Elektronenquelle“, sagt Stahl. „Wir erkannten, dass die Brennstoffzellentechnologie so modifiziert werden könnte, dass sie Chemikalien anstelle von Elektrizität herstellt“,
Wasserstoffgas sei in vielerlei Hinsicht eine ideale Wahl, so Stahl. Es kann aus erneuerbarem Strom erzeugt werden und verursacht nur sehr wenig Abfall. Die Entwicklung einer wasserstoffbasierten Methode zur Herstellung von Arzneimitteln steht im Einklang mit dem erneuten Interesse an einer „Wasserstoffwirtschaft“.
„Diese Arbeit steht im Zusammenhang mit umfassenderen Bemühungen zur Schaffung einer Wasserstoffinfrastruktur, die über Brennstoffzellen und Energieerzeugung hinausgeht“, sagt Mathew Johnson, Postdoktorand in der Chemieabteilung, der die Studie leitete. „Diese Arbeit zeigt, dass Wasserstoff mit Elektrizität kombiniert werden kann, um neue Medikamente herzustellen.“
Die Forscher entwickelten ein System, das eine Art organischer Verbindung namens Chinon verwendet, um Elektronen aus dem Wasserstoff zu ziehen. Ein wichtiges Merkmal dieses Prozesses ist, dass er auch ohne Wasser gut funktioniert. Brennstoffzellen benötigen normalerweise Wasser, um effektiv zu funktionieren, aber Wasser kann die Schritte zur Herstellung der Arzneimittelbestandteile beeinträchtigen.
Das System nutzt dann Elektrizität, um die Elektronen aufzuladen, wodurch die Elektronen mehr Energie erhalten, als Wasserstoff normalerweise liefern könnte.
Das Team, zu dem der Postdoktorand Jack Twilton, der Chemieprofessor Daniel Weix und die Professorin für Chemie- und Bioingenieurwesen Thatcher Root gehörten, beschrieb ihr neues System in einem am 21. August in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Natur. Sie zeigen, wie damit Dutzende wichtiger organischer Moleküle hergestellt werden können, darunter auch eine große Menge eines pharmazeutischen Wirkstoffs.
Das Team arbeitet nun daran, das Verfahren so zu verbessern, dass es für die Produktion im industriellen Maßstab genutzt werden kann. Und Stahl und seine Mitarbeiter sehen noch größere Chancen für diese Technologie.
„Das ist eine breit anwendbare Technologie für die chemische Produktion“, sagt Johnson. „Viele chemische Prozesse benötigen Elektronen. Dies ist nicht auf Arzneimittel beschränkt. Es sollte eine sehr vielseitige Technologie sein.“
Mehr Informationen:
Jack Twilton et al., Chinon-vermittelte Wasserstoffanode für die nichtwässrige reduktive Elektrosynthese, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06534-2