UniCat

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Unifying Concepts in Catalysis

Die Vision hatte schon Jules Verne. In seinem Roman "Die geheimnisvolle Insel" von 1874 schreibt der Science Fiction-Autor: "Ich glaube, dass Wasser eines Tages als Brennstoff dienen wird, dass Wasserstoff und Sauerstoff, aus dem es besteht, entweder zusammen oder getrennt verwendet, eine unerschöpfliche Quelle für Wärme und Licht sein werden …". Im 21. Jahrhundert ist die "Science" schon über die "Fiction" herausgewachsen. Die Idee, aus Wasser und Licht umweltfreundlichen Wasserstoff zu produzieren, wird bereits in die Realität umgesetzt.

Die Grundlagenforschung dazu wird unter anderem an den Instituten für Biologie und Chemie der Humboldt-Universität im Rahmen des Exzellenzclusters Unifying Concepts in Catalysis (UniCat) betrieben. Mehr als 50 Arbeitsgruppen aus der Chemie, Physik, Biologie und den Ingenieurwissenschaften arbeiten in UniCat unter Federführung der Technischen Universität Berlin an der Erforschung und Entwicklung von Katalysatoren. Dem Laien mag beim Stichwort Katalysator in erster Linie der Autokatalysator einfallen, aber Katalysatoren sind in unserer Umgebung weitaus häufiger als man denkt. »Mehr als 80 Prozent aller chemischen Produkte, die die Basis für alltägliche Erzeugnisse wie Kunststoff, Kosmetika, Kleidungsstücke oder Medikamente sind, benötigen bei zumindest einem Schritt ihrer Herstellung einen Katalysator«, erklärt Christian Limberg, Professor für Anorganische Chemie an der Humboldt-Universität.

Video: "Katalyse für die Zukunft"

Aber was sind eigentlich Katalysatoren? Zuweilen werden sie auch liebevoll "Heiratsmittler" tituliert. Wenn zwei Moleküle in chemischen Reaktionen miteinander reagieren sollen, dann gelingt dieses häufig nur mit der Hilfe eines dritten Stoffes, eines Katalysators. Die Reaktion wickelt sich durch ihn schneller und unter milderen Bedingungen ab. Dabei geht der Katalysator unverbraucht aus der Reaktion hervor. Durch das Hinzufügen von Katalysatoren können bestimmte Prozesse nicht nur kostengünstiger ablaufen, sondern auch wertvollere Stoffe entstehen. Katalyse ist ein Prozess, der auch in der Natur vorkommt, beispielsweise bei der Photosynthese oder der Atmung. »Tatsächlich sind diese natürlichen Katalysatoren, die Enzyme, an Effizienz, Effektivität und Selektivität kaum zu übertreffen«, erklärt Limberg. Deshalb nehmen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Natur zum Vorbild, um von ihr zu lernen oder arbeiten mit natürlichen Katalysatoren.

Die biologische Produktion von Wasserstoff

Bei den Anstrengungen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, aus Licht und Wasser Wasserstoff zu gewinnen, spielen bestimmte Enzyme, die Hydrogenasen, und die Photosynthese eine wichtige Rolle. Bei der Photosynthese wird aus Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe des Sonnenlichts Zucker und Sauerstoff produziert. An diesem Prozess sind zwei »molekulare Maschinen« beteiligt, die Photosysteme I und II. Das Photosystem II spaltet Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen. Hydrogenasen sind in der Lage, aus Protonen und Elektronen Wasserstoff zu produzieren. »In unseren Versuchen koppeln wir den Photosyntheseapparat eines Cyanobakteriums direkt mit Hydrogenasen«, erklärt der Mikrobiologe Dr. Oliver Lenz, der zusammen mit Bärbel Friedrich, Professorin am Institut für Biologie der HU, die bakterielle Wasserstoffnutzung und -produktion untersucht. Im Reagenzglas wird über gentechnische Methoden eine sauerstofftolerante Hydrogenase mit dem Photosystem verbunden. Der Hydrogenase-Photosystem-Komplex produziert Wasserstoff aus Protonen und Elektronen unter Nutzung der Lichtenergie. Zwar sind Hydrogenasen schon natürlicherweise in Cyanobakterien vorhanden, allerdings sind sie sauerstoffempfindlich und somit für eine direkte Kopplung an die Sauerstoff freisetzende Photosynthese nicht geeignet. Deshalb werden für diesen Zweck sauerstoffresistente Hydrogenasen eingesetzt. »Die Wasserstoffproduktion durch die Kopplung von Hydrogenase und Photosystem bedeutet einen Meilenstein auf dem Weg zu einer biologischen Produktion von Wasserstoff aus Licht und Wasser.«

In einem weiteren Schritt wollen die Biologinnen und Biologen mit dem umweltfreundlich gewonnenen Wasserstoff über eine biologische Brennstoffzelle Strom produzieren. Der Vorteil der biologischen Brennstoffzelle ist vor allem, dass auf den sehr teuren und begrenzt verfügbaren Platinkatalysator verzichtet werden kann. Doch noch sind die Versuche rund um die Wasserstoffproduktion im Anfangsstadium. Es muss weiterhin Grundlagenforschung betrieben werden. So wissen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler noch nicht genau, warum bestimmte Hydrogenasen sauerstoffresistent sind. Eine Frage, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Bereich der Biologie mit Hilfe von Kolleginnen und Kollegen der Chemie und Physik aus UniCat lösen wollen. So ist hier auch die Arbeitsgruppe von Christian Limberg gefragt, die den katalytischen Kern der Hydrogenase mit chemischen Methoden als Modell nachbauen möchte. Eine Aufgabe, die die Chemiker vor einige Schwierigkeiten stellt, handelt es sich bei den aktiven Zentren der Hydrogenasen doch um komplexe Einheiten, die in biologischen Systemen auf faszinierende Weise an Proteinen wie auf einer Werkbank generiert werden. Limberg hofft, dass es gelingen wird, das Enzym-Zentrum nicht nur nachzubauen, sondern auch die Funktionsweise der Hydrogenasen per Modell zu simulieren. Hilfreich ist dabei auch die Expertise der Physikerinnen und Physiker, die mit Hilfe von spektroskopischen Methoden mehr über die Struktur der Enzyme aussagen können.

Der Traum: Von Methan zu Methanol

Neben den Hydrogenasen stehen auch Oxygenasen im Fokus von chemischen Modellierungsstudien. Oxygenasen können Sauerstoff nutzen, um Kohlenwasserstoffe zu wertvolleren Stoffen zu oxidieren. Mit diesen so wichtigen Reaktionen beschäftigt sich auch ein weiterer Cluster-Bereich, der von dem theoretischen Chemiker Prof. Joachim Sauer geleitet wird: dort wird nach geeigneten Heterogenkatalysatoren – also rein anorganischen Festkörpern, die Reaktionen über ihre Oberfläche vermitteln – gesucht. »Traumhaft wäre es, wenn wir einen Katalysator entwickeln würden, der Methan in Methanol umwandeln kann«, sagt Prof. Limberg. Als Bestandteil des Erdgases wird Methan derzeit hauptsächlich verbrannt. Dazu muss es von der Stelle des Vorkommens zum Verbraucher transportiert werden. Es ist schwierig, diesen Transport sicher und ökonomisch durchzuführen. »Methanol kann wie Methan und Wasserstoff ebenfalls als Energielieferant genutzt werden, ist dabei aber flüssig und besser zu handhaben.« Ob der Traum in Erfüllung geht, wird die Zeit zeigen. Aber eines wissen die Forscherinnen und Forscher rund um UniCat schon jetzt: Jeder trägt mit seinen fachtypischen Methoden dazu bei, Probleme gemeinsam schneller zu lösen.

 Zusammenfassung

"UniCat" bietet hoch qualifizierten Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern die Möglichkeit, an den spannenden Forschungsprojekten der über 50 Arbeitsgruppen des Exzellenzclusters im Rahmen einer Graduiertenschule mitzuwirken. Die "Berlin International Graduate School of Natural Sciences and Engineering" (BIG-NSE) nimmt jährlich rund 20 Doktorandinnen und Doktoranden auf, die in drei Jahren ihren Titel erlangen sollen. In einer dreimonatigen "Initial-Phase" können die Graduierten die verschiedenen Themenbereiche des Clusters kennen lernen, dabei ihr Promotionsthema "festklopfen" und Sprach- und Soft Skill-Kurse belegen. Neben einem Curriculum werden regelmäßig Vorlesungen von international renommierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern angeboten. Von den Graduierten wird erwartet, dass sie sich auch mit fachfremden Themen auseinandersetzen und eine gemeinsame Sprache mit ihren Kolleginnen und Kollegen finden.

Beteiligte Institutionen

  • Technische Universität Berlin
  • Humboldt-Universität zu Berlin
  • Freie Universität Berlin
  • Universität Potsdam
  • Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI)
  • Max-Planck-Institut für Kolloid und Grenzflächenforschung Golm (MPI-KG)

Weitere Informationen

Sprecher/-in

Prof. Dr. Matthias Driess (TU)