Wo ist das magische Molekül?

Viele Wege führen zum Ziel, das gilt auch in der Chemie. Das Team von Benjamin List am Max-Planck-Institut für Kohlen­forschung in Mülheim an der Ruhr untersucht deshalb unter­schiedliche Ansätze, um seine Idee einer photo­katalytischen CO₂-Spaltung zu verwirklichen.

Wie packt man eine revolutionäre Idee an, die bislang offenbar niemand untersucht hat? Vor dieser Frage steht Benjamin List vom Max-Planck-Institut für Kohlen­forschung in Mülheim an der Ruhr. Sein Anfang 2025 lanciertes Projekt hat zum Ziel, Kohlen­stoff­dioxid (CO₂) mit einer photo­katalytischen Spaltung in reinen Kohlen­stoff (C) und in Sauerstoff (O₂) umzuwandeln. Gelänge eine solche Reaktion, liesse sich damit der mensch­gemachte CO₂-Überschuss in der Atmos­phäre rückgängig machen.

Bei einem solch neuartigen, riskanten Projekt kann es sich lohnen, nicht alles auf eine Karte zu setzen. Benjamin List stellt deshalb ein Forschungs­team zusammen, das in drei Haupt­stoss­richtungen ermittelt. Die ersten beiden sind klassische chemische Ansätze: die homogene und die hetero­gene Katalyse. Der dritte untersucht, ob biologische Organismen oder Enzyme die Spaltung übernehmen könnten.

Bei der homogenen Katalyse setzt das Forschungs­team auf Reaktionen, die durch kleine, organische Moleküle ermöglicht werden. Katalysa­toren also, wie sie Benjamin List für seine Forschung zur Organo­katalyse benutzt hat, die letztlich zum Nobel­preis führte. Einen wichtigen Teil dieser Arbeit führt er deshalb gleich selbst durch, wie er erzählt: «Frühmorgens, wenn ich Ruhe habe in meinem Büro, designe ich mögliche Katalyse­zyklen für diese Reaktion.»

Hilfreiche Metalle?

Die Ideen reisen dann um die halbe Welt, nach Japan. Dort, an der Universi­tät von Hokkaido, arbeitet ein kleines Team um Professor Satoshi Maeda schon seit Jahren mit Benjamin List zusammen. «Es sind begnadete Theoretiker. Sie berechnen für jeden Katalyse­zyklus, ob er funktionieren kann.» Ein Vorteil dafür ist, dass es sich bei CO₂ um ein kleines Molekül handelt. Bei grossen Molekülen und  Katalysa­toren kommt man mit solchen rechen­gestützten Methoden nicht weit.

Die Idee des zweiten Ansatzes, der hetero­genen Katalyse, ist die Entwicklung metall­haltiger Katalysa­toren. «Wir haben eine Publikation gefunden, laut der sich mithilfe von Germanium­oxid der Sauer­stoff des CO₂ entfernen lässt», sagt List. «Momentan versuchen wir, die Methode zu reproduzieren.» Zudem untersuchen zwei neu eingestellte Mitar­beiter weitere Metall­oxide, die sich eignen könnten.

Für manche Prozess­schritte, die beim hetero­genen Ansatz wichtig sind, existieren bereits verwandte Verfahren. Der Chemie­konzern BASF etwa arbeite an einer Aufspal­tung von Methan in Wasserstoff und festen Kohlen­stoff, erzählt List. Methangas wird durch flüssiges, heisses Zinn geleitet. Der Wasser­stoff entweicht gasförmig und die Kohle lagert sich auf dem Zinn ab. Damit die Kohle­schicht den Katalysa­tor nicht deaktiviert, muss sie mit einer Art Scheiben­wischer von Zeit zu Zeit entfernt werden. «Ähnlich würde es bei uns funktionieren», sagt List.

Kohle-Biologie

Beim dritten Ansatz hingegen können sich die Forschen­den auf keinerlei Vorar­beiten stützen. Es handelt sich um eine neue Biologie, die Entwicklung biologischer Katalysatoren – am besten lebende Zellen, die CO₂ aus der Luft aufnehmen und elementaren Kohlenstoff ausscheiden. Das sei weniger utopisch, als es vielleicht klinge, sagt List. Pflanzen erzeugen mit der Photo­synthese seit Jahrmillionen Kohlen­hydrate aus CO₂. «Eigentlich fehlt für unsere Reaktion nur der letzte Schritt: Sie müssten das Wasser vom Kohlen­hydrat abspalten.»

Dieser Mechanismus scheint in der Natur nicht zu existieren. «Wir haben eine einzige Publikation gefunden, in der ein Team beschrieb, einzellige Lebewesen, sogenannte Archaeen, könnten elemen­taren Kohlenstoff erzeugen», erzählt List. «Aber ob das wirklich stimmt, muss erst noch gezeigt werden.»

Suche in Kohlegruben?

Entmutigen lassen sich die Forschenden nicht. Sie werden Enzyme suchen und auf ihre Eignung als biologische Kataly­satoren testen. Und List möchte untersuchen, ob es vielleicht doch irgendwo biologische Kohle­quellen gibt. «Es wäre zum Beispiel interessant, Bakterien aus Kohle­gruben zu kultivieren und zu testen.» Denn auch bei der natürlichen Kohle­bildung findet eine Abspaltung von Wasser aus Pflanzenmaterial statt. «Wie genau, weiss man nicht.»

Weil die Etablierung aller drei Ansätze Zeit brauchen wird, hat Benjamin List den Projekt­fokus etwas erweitert: Aus Zellulose und Lignin, den Haupt­bestand­teilen von Holz, lassen sich nämlich laut ihm relativ einfach sogenannte Furane herstellen. Bloss mangelt es bisher an praktikablen Methoden, um diese Stoff­gruppe in chemisch wertvolle Verbindungen zu verwandeln. Einer seiner Doktoranden arbeite mit Begeisterung an solchen Reaktionen und habe grosse Fortschritte gemacht, erzählt List. «Das möchten wir weiterver­folgen.» Es wären nicht Traum­reaktionen, wie die Spaltung von CO₂. Aber sie könnten einen bedeutenden Beitrag leisten zur Umstellung auf eine biobasierte chemische Industrie.