Katalyse: Molekulare „Krone“ verbessert CO₂-Umwandlung

Die Umwandlung von Kohlendioxid (CO₂) in nützliche Chemikalien gehört zu den zentralen Herausforderungen nachhaltiger Energietechnologien. Während CO₂ weit verbreitet und ein attraktiver, kostengünstiger C1-Rohstoff ist, macht seine hohe thermodynamische und kinetische Stabilität seine Aktivierung schwierig. Ein Team um die LMU-Chemikerin Professorin Ivana Ivanović-Burmazović, Mitglied im Exzellenzcluster e-Conversion, und Professor Ulf-Peter Apfel (Fraunhofer-Institut UMSICHT) hat nun gezeigt, wie sich dieser Prozess durch den Einsatz sogenannter Kronenether deutlich verbessern lässt.

Katalyse neu gedacht

Viele Ansätze zur CO₂-Umwandlung basieren auf festen Metallkatalysatoren wie Gold, Silber oder Kupfer. Diese sind zwar effektiv, aber oft teuer und beruhen auf knappen Ressourcen. Das LMU-Team verfolgt stattdessen einen molekularen Ansatz und nutzt sogenannte Metallo-Porphyrine als Katalysatoren, die strukturell mit dem Häm in Hämoglobin verwandt sind.

In diesen Systemen übernimmt ein Kobaltzentrum die Umwandlung von CO₂ zu Kohlenmonoxid (CO), einem wichtigen Grundstoff der chemischen Industrie. „Die Effizienz der Katalyse hängt jedoch nicht allein vom aktiven Zentrum ab, sondern auch von dessen chemischer Umgebung“, erklärt Ivanović-Burmazović. „Das lokale elektrostatische Umfeld spielt eine entscheidende Rolle für die Stabilisierung der Zwischenprodukte und die Senkung der erforderlichen Energie.“

Kleine Änderung, große Wirkung

Um dieses Umfeld gezielt zu beeinflussen, integrierten die Forschenden sogenannte Kronenether in die Nähe des katalytischen Zentrums: Ringförmige Moleküle aus Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen, die wie eine Krone ein Metallion umschließen. Kronenether binden selektiv positiv geladene Ionen und verändern so das elektrische Feld rund um das Kobaltatom.

Diese sogenannte zweite Koordinationssphäre beeinflusst die Elektronenverteilung im System und lenkt die Reaktion effizienter in Richtung des gewünschten Produkts – der Umwandlung von CO₂ zu CO.

Elektrochemische Experimente zeigten, dass der modifizierte Katalysator weniger Energie benötigt und gleichzeitig selektiver arbeitet. „Durch die gezielte Platzierung der Kronenether können wir die Reaktion deutlich effizienter steuern, sodass mehr vom Produkt und weniger Nebenprodukte erzeugt werden“, sagt Christian Wilhelm, Doktorand an der LMU und einer der Erstautoren.

Vom Konzept zur Anwendung

Um die Praxistauglichkeit zu prüfen, integrierte das Team den molekularen Katalysator in einen sogenannten Zero-Gap-Elektrolyseur. In diesem System stehen Elektroden und Membran in direktem Kontakt, wodurch Gase wie CO₂ effizient zur katalytischen Oberfläche gelangen.

Dabei erreicht das System eine hohe Selektivität von 96 Prozent für die CO-Produktion bei moderaten Stromdichten sowie eine sogenannte Faraday-Effizienz von bis zu 43 Prozent bei technisch relevanten Bedingungen. Damit zählt der Ansatz zu den leistungsfähigsten molekularen Katalysatoren ohne Edelmetalle in solchen Anwendungen, so die Autoren.

Perspektiven für nachhaltige Katalyse

Auch wenn Edelmetallkatalysatoren weiterhin höhere absolute Effizienzen erreichen können, bietet der neue Ansatz einen entscheidenden Vorteil: Nachhaltigkeit. Kobalt ist deutlich häufiger und kostengünstiger als Metalle wie Gold oder Silber.

Darüber hinaus zeigt die Studie ein allgemeines Designprinzip: Bereits kleine Veränderungen in der molekularen Umgebung eines Katalysators, insbesondere Änderungen der lokalen Ladung, können große Auswirkungen auf dessen Leistung haben. Dieses Konzept könnte sich nach Überzeugung der Autoren auch auf andere katalytische Systeme übertragen lassen und neue Wege für effiziente und nachhaltige Energietechnologien eröffnen.

W. Wiesner et al.: Heavy is the Crown: Crown Ether Modulation of Cobalt Porphyrin CO2 Electroreduction in Zero-Gap Electrolyzers. Angewandte Chemie 2026