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BMBF
Synthese 3.4.2017

Porphyrin-basiertes katalytisches Zentrum
© Bröhring / TU Braunschweig

Methan kostengünstig synthetisieren

Im Projekt Katmethan wollen Wissenschaftler neue peptid-basierten Katalysatoren für die kostengünstige Synthese von Methan finden. Die Erfolgsaussichten sind ungewiss, denn bisher gibt es dazu keine Daten und die Wirtschaftlichkeit hängt in erster Linie von dem erreichbaren Wirkungsgrad der katalytischen Reaktion, der Kosten pro Katalysatoreinheit und der Stabilität der Katalysatoren ab.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Projektlaufzeit September 2014 bis August 2017

Vor hundert Jahren entwickelte Fritz Haber am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einen Katalysator mit dessen Hilfe Stickstoff aus der Luft fixiert werden konnte, was eine im wahrsten Sinne überlebensnotwendige Voraussetzung war, um die heute etwa sieben Milliarden Menschen auf der Erde ernähren zu können. Ähnlich wichtig wäre es heute einen Katalysator zu finden mit dem man dezentral elektrische Energie und chemische Energie ineinander umwandeln kann. Dann könnten z. B. Heizungen nebenher auch noch Strom produzieren, was die Effizienz der Energienutzung deutlich steigern würde. Noch wichtiger wäre, dass dadurch auch stark fluktuierende regenerative Energiequellen eine verlässliche Stromversorgung bieten könnten.

  • Peptidspot mit eingebautem katalytischen Zentrum © KIT
  • Kombinatorische Synthese von Peptidarrays © KIT
  • Chipdrucker © KIT
  • Peptidarray durch Laser-induziertes Anschmelzen © KIT
  • Elektronenmikroskopische Ansicht einer Zwischenstufe des Screeningchips © IMS Stuttgart
  • Porphyrin-basiertes katalytisches Zentrum © Bröhring / TU Braunschweig

Bisherige nanopartikel-basierte Katalysatoren werden wie zu Fritz Haber's Zeiten hergestellt: Durch vermengen verschiedener Bestandteile und anschließendes Prozessieren , z. B. Sintern. Danach werden maximal einige tausend potenzielle Katalysatoren auf Funktion getestet. Die Forscher wollen eine Methode entwickeln, bei der sie sehr viel mehr potenzielle Katalysatoren auf ihre katalytische Funktion testen können. Ein weiterer Unterschied liegt in der Art der diesen Katalysatoren: Anstelle von metallischen oder keramischen Nanopartikeln wollen die Wissenschaftler sehr viele kleine Proteine, sogenannte Peptide, mit eingebauten katalytischen Zentren herstellen und auf katalytische Funktion durchsuchen. Der Grund dafür ist klar: Von Proteinenzymen weiß man, dass sie auch komplexere Moleküle, wie z. B. Methan, sehr effizient umsetzen können.

Grundlage schaffen für peptid-basierte Katalysatoren

Im Projekt Katmethanwollen Forscher die Grundlagen dafür legen, nach neuartigen peptid-basierten Katalysatoren zu suchen, die als Fernziel eine kostengünstige Synthese von Methan aus elektrischer Energie, CO2 und Wasser erlauben.

Die Wissenschaftler wollen innerhalb des Vorhabens drei unterschiedliche, sehr anspruchsvolle Technologien entwickeln und miteinander verbinden: (1) Die Synthese von sehr vielen Peptiden pro gegebener Fläche, (2) die organische Synthese von katalytischen Zentren, die in die erwähnten Peptide eingebaut werden und (3) ein Suchsystem mit dem möglichst einfach, verlässlich, empfindlich und schnell entschieden werden kann, ob und welches Molekül katalytische Eigenschaften hat.

Katmethan ist ein sehr riskantes Forschungsprojekt, dessen Wirtschaftlichkeit in erster Linie abhängt von dem erreichbaren Wirkungsgrad der katalytischen Reaktion, der Kosten pro Katalysatoreinheit und der Stabilität der Katalysatoren. Daten dazu sind nicht vorhanden. Es geht zunächst um den Beweis des Prinzips.

Das Projekt hat im September 2014 angefangen und befindet sich damit noch in der Anfangsphase. Erste Ziele sind die chemische Synthese von künstlichen Bausteinen für die Peptidsynthese, die Herstellung von hochdichten Peptidarrays (10.000 Peptide pro cm(+2)) in guter Qualität, sowie eines Screeningchips, der für jede Pixelelektrode möglichst empfindlich messen kann, dass dort Elektronen transferiert wurden.

Teilvorhaben

Teilvorhaben a: Das KIT nutzt eine neu entwickelte Synthesemethode um 10.000 Peptide pro cm(+2) zu synthetisieren. Anschließend sollen diese Peptide im Arrayformat abgespalten werden und auf eine Zieloberfläche übertragen werden. Diese Zieloberfläche ist zunächst nur ein mit Goldelektroden bedeckter Träger, später aber der im Teilvorhaben b entwickelte Screeningchip.

Teilvorhaben b: Um die Aktivitäten vieler Peptidelektroden parallel messen zu können, wird ein von IMS speziell zu fertigender CMOS-basierten Screeningchip mit 10.000 einzeln ansteuerbaren Elektroden eingesetzt. Die Herausforderungen für diesen Screening Chip liegen darin, dass für die große Anzahl von Elektroden kleine Ströme (pA) schnell und hochpräzise gemessen werden müssen und die Oberfläche des Chips inert gegen die diversen aufgebrachten und entstehenden Chemikalien ist. Der Screening Chip basiert auf einem konventionellen CMOS Prozess, auf den bei IMS mit diversen Nachprozessierungsschritten chemisch inerte Isolatoren und Edelmetallelektroden aufgebracht werden.

Teilvorhaben c: Ziel des Teilprojekts c ist die Entwicklung geeigneter Redoxkatalysatoren für einzelne Schritte der Umsetzung von oder zu energiespeichernden Molekülen wie Methan. Diese biomimetischen Verbindungen sollen im Gesamtsystem die Aufgaben katalytischer Zentren übernehmen. Sie sind nach dem Vorbild von natürlichen Metallkomplexen gestaltet, die in energieumsetzenden Enzymen vorgefunden werden. Neben der katalytischen Effizienz muss die Rahmenbedingung erfüllt werden, dass diese Metallkatalysatoren verlässlich und modular in das gesamte Screeningsystem eingebaut werden können.

Teilvorhaben d: Wenn durch die katalytische Aktivität eines der Peptide ein Substrat umgesetzt wird, dann sollte eine Pixelelektroden-spezifischer Strom entstehen. Ziel des Teilvorhabens d ist es das entsprechende Messsystem zum laufen zu bringen. Wenn dies klappt, ist das nächste Ziel nach Katalysatoren zu suchen, die Methan oder Methanol umsetzen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

31. Mai 2017
Intersolar Europe 2017

31. Mai 2017
ees Europe

1. Juni 2017
8. Forum ElektroMobilität – KONGRESS

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Prof. Frank Breitling
    Karlsruher Institut für Technologie (KIT); Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) - Fachbereich FE2-PA
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.