Eine ausreichende Energiebereitstellung ist in unserer heutigen Wohlstandsgesellschaft unerlässlich. Die weltweite Energieproduktion basiert größtenteils auf der Verbrennung von fossilen Rohstoffen und ist damit hauptverantwortlich für steigenden CO2-Emissionen, die unerwünschte Klimaeffekte zur Folge haben. Dies führt zur intensiven Entwicklung von neuartigen Technologien zur CO2-freien Energieerzeugung. In diesem Kontext ist die elektrochemische Wasserspaltung zur Herstellung von Wasserstoff mit erneuerbaren Energien vielfach diskutiert. Da Wasserstoff kommerziell bei hohen Drücken und tiefen Temperaturen gespeichert wird, bestehen erhebliche Sicherheitsbedenken für dessen Lagerung und Transport. Aus diesem Grund ist die Umwandlung in speicherbare Verbindungen wie Ameisensäure und Methanol mit CO2 als nachhaltigem Rohstoff ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Kreislaufwirtschaft. Diese Konzepte bieten eine Neugestaltung der chemischen Industrie auf Basis von CO2 und H2 als Rohstoffe und bringen somit die beiden Sektoren, Chemie und Energie, enger zusammen. Damit werden Technologien zur Nutzung von CO2 essentiell. In diesem Zusammenhang ist die Entwicklung effizienter Katalysatoren zur Aktivierung von CO2 und dessen selektive Hydrierung zu ausgewählten Produkten maßgeblich und ein wesentlicher Gegenstand des vorliegenden Vorhabens.

Die partielle Hydrierung von CO2 erfolgt über verschiedene Intermediate. Bei der Umsetzung von CO2 mit einem Äquivalent H2 wird Ameisensäure gebildet. Diese Reaktion weist eine 100%ige Atomeffizienz auf, wobei katalytische Systeme zur Überwindung der kinetischen und thermodynamischen Barrieren entwickelt werden müssen. Die Reduktion mit einem weiteren Molekül H2 ergibt Formaldehyd und Wasser als Nebenprodukt. Hier besteht die Herausforderung darin, die hohe Affinität von Aldehyden für weitere Reduktionsschritte zu unterdrücken. In der weiteren Hydrierung wird durch Aktivierung mit drei Äquivalenten H2 und der C=O-Bindungsspaltung Methanol gebildet. Ausgehend von diesen C1-Verbindungen können komplexere Moleküle über die Kupplung von CO2 mit anderen Substraten erschlossen werden. Carbonsäuren und deren Derivate weisen denselben Reduktionsgrad wie Ameisensäure auf und die Bildung von neuen C-Heteroatom-Bindungen wie in Methylaminen basiert auf dem Reduktionsgrad von Methanol. In der Entwicklung von neuartigen Konzepten zur effizienten Nutzung von CO2 als chemischen Rohstoff für die Synthesen von bedeutenden Plattformchemikalien und Treibstoffen, stellt die Hydrierung eine nachhaltige und umweltfreundliche Alternative dar. Unter Vermeidung von CO, hohen Temperaturen und dem Einsatz von fossilen Rohstoffen zeigt die Hydrierung vielversprechende Vorteile im Vergleich zu konventionellen Syntheserouten.

Im Fokus dieser Arbeit steht die Katalysatorentwicklung sowie die Systemoptimierung zur selektiven Hydrierung von CO2 zu ausgewählten C1-Bausteinen an festen, molekularen Katalysatoren auf Phosphin-Basis. Der Schwerpunkt des Projektes liegt auf den Produkten Ameisensäure und Methanol, wobei auch weitere Produkte wie Formaldehyd, Methylamine sowie Carbonsäuren und deren Derivate synthetisiert werden sollen. Insbesondere für Ameisensäure ist ein integriertes System zur Wasserstoffspeicherung vielversprechend. Zudem sollen weitere funktionelle, poröse Trägermaterialien für die Immobilisierung molekularer Katalysatoren entwickelt werden. Diese Strukturvielfalt ermöglicht es Katalysatoren zur Aktivierung von CO2 und milden Reaktionsbedingungen maßzuschneidern und dabei die Vorteile von homogener und heterogener Katalyse zu vereinen.