Biokatalytische Membranen für die Kohlenstoffabscheidung und -nutzung

Innovative Kohlenstoffabscheidungstechnologien, die CO2 aus großen Punktquellen und direkt aus der Luft abscheiden, werden dringend benötigt, um die Klimakrise zu bekämpfen. Ebenso sind entsprechende Technologien erforderlich, um dieses abgeschiedene CO2 in wertvolle chemische Rohstoffe und Produkte umzuwandeln, die derzeitige fossilbasierte Materialien ersetzen, um den Kreislauf bei der Schaffung tragfähiger Pfade für eine erneuerbare Wirtschaft zu schließen. Biokatalytische Membranen, die hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und Enzymselektivität mit Modularität, Skalierbarkeit und Membrankompaktheit kombinieren, zeigen vielversprechende Ansätze sowohl für die CO2-Abscheidung als auch für die CO2-Nutzung. Diese Übersichtsarbeit bietet eine systematische Untersuchung der in der Entwicklung befindlichen Technologien zur CO2-Abscheidung und -Nutzung, die sowohl Enzyme als auch Membranen einsetzen. CO2-Abscheidungsmembranen werden nach ihrer Wirkungsweise als CO2-Trennmembranen, einschließlich Mixed-Matrix-Membranen (MMM) und Flüssigmembranen (LM), oder als CO2-Gas-Flüssig-Membrankontaktoren (GLMC) kategorisiert. Da sie molekulare Reaktionen unter Beteiligung von CO2 selektiv katalysieren, sind die beiden Hauptklassen von Enzymen, die zur Verbesserung der Membranfunktion verwendet werden, Carboanhydrase (CA) und Formatdehydrogenase (FDH). Kleine organische Moleküle, die entwickelt wurden, um die aktiven Zentren von CA-Enzymen nachzuahmen, befinden sich ebenfalls in der Entwicklung. CO2-Umwandlungsmembranen werden entsprechend der Membranfunktionalität, der Lage der Enzyme relativ zur Membran, was verschiedene Immobilisierungsstrategien umfasst, und der Regenerationsmethoden für Cofaktoren beschrieben. Für die Leistung dieser Hybridsysteme entscheidende Parameter werden anhand tabellarischer Beispiele diskutiert. Fortschritte und Herausforderungen werden erörtert und Perspektiven für zukünftige Forschungsrichtungen aufgezeigt.