Licht-getriebene bioelektrochemischen CO2 Konversion für die Synthese von werthaltigen Chemikalien unter Nutzung von Gasdiffusionselektroden und Enzymkaskaden

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Schuhmann
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445820469

Die (bio)elektrochemische Konversion von CO2 zu höheren Chemikalien hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Entsprechende nachhaltige und ökonomi-sches Prozess erlaubt eine Reduzierung des globalen CO2 Volumens und umgeht zudem die an die Verwendung von fossilen Brennstoffen geknüpften Probleme. Im diesem Projekt sollen neue Redoxpolymere entwickelt werden, die eine Anbindung des Redox-proteins Formiatdehydrogenase (FDH), welches reversibel die Umsetzung von CO2 zu Formiat katalysiert, an Gasdiffusionselektroden erlauben. Die so erzeugte aktive CO2 Reduktionsschicht soll in weiteren Schritten an Enzymkaskaden gekoppelt werden, die die weitere Umsetzung des C1-Intermediats Formiat zu Methanol katalysieren. Um einen Einsatz in technologisch relevanten Anlagen zu ermöglichen, wird die Immobilisierung der gesamten Enzymkaskade auf der Elektrodenoberfläche angestrebt. Die entwickelte CO2 reduzierende Biokathode soll dann in einer photoelektrochemischen Zelle an eine Poly-mer/Photosystem II-basierte Biophotoanode gekoppelt werden, um eine lichtgetriebene Synthese von Methanol aus einer einzelnen C1 Vorstufe (CO2) zu gewährleisten. Die Vor-teile eines solchen Systems liegen auf der Hand: (i) der Einsatz von 3D-strukturierten Redoxpolymeren erlaubt die elektrischen Anbindung vieler Biokatalysatoren bei gleichzei-tiger Bereitstellung einer hydrophilen Immobilisierungsmatrix; (ii) die Verwendung von Gasdiffusionselektroden eliminiert Limitierungen aufgrund eines langsamen Massen-transports, wie es kürzlich für Polymer/Hydrogenase basierte H2-Oxidationsbioanoden gezeigt werden konnte und (iii) der Einsatz von Licht als Energiequelle für die Synthese von Methanol erlaubt den Aufbau eines nachhaltigen und ökonomischen Gesamtpro-zesses. Das Projekt wird wichtige Daten und Aussagen für eine breite wissenschaftliche Öffentlichkeit generieren und wird einen wichtigen Beitrag in der Entwicklung von neuen „solar-to-chemicals“-Technologien liefern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2240: Bioelektrochemische und ingenieurwissenschaftliche Grundlagen zur Etablierung von Elektro-Biotechnologie für die Biosynthese - eBiotech
• Mitverantwortlich: Dr. Felipe Conzuelo