The anthropogenic greenhouse gas carbon dioxide (CO₂) is primarily generated through the combustion of fossil resources. The three key strategies to achieve a climate-neutral future are 1) the substitution of fossil resources, 2) the extraction and storage of CO₂ (CCS) and 3) the capture and subsequent use of CO₂ (CCU) as a chemical building block from the atmosphere and industrial exhaust gases. 

Our research focuses on the utilization of CO₂ as a C1 building block in catalytic processes for the synthesis of valuable added products. This includes the synthesis of cyclic carbonates, the indirect reduction of CO₂ to methanol, the preparation of polycarbonates (PC) and isocyanate-free polyurethanes (NIPUs) as well as N-methylation and N-formylation reactions using CO₂. Currently we are working on CO₂ capture systems which enable the extraction of CO₂ from the atmosphere

For example, we developed homogeneous bifunctional organocatalysts for the addition of CO₂ to epoxide under mild conditions. The obtained cyclic carbonates find application, e.g. as electrolytes in Lithium-ion batteries, solvents, building blocks and monomers for polymer synthesis. The conversion of bio-based epoxides, e.g. epoxidized linseed oil and fatty acid derivatives with CO₂ in catalytic processes fulfills several criteria of Green Chemistry. The resulting products find applications in industry as components of lubricants, cosmetics, and as precursors for bioplastics.

Catalyst recycling is of utmost importance when it comes to industrial applications. One approach is the immobilization of a catalyst. Catalyst immobilization refers to a catalyst that is fixed in a certain position, offering advantages such as easy separation, reuse, and simplification of product work-up in a process. We work on the covalent immobilization of phosphorous-based organocatalysts and the non-covalent immobilization of metal-based catalysts for the synthesis of cyclic carbonates from CO₂ and epoxides. For example, we immobilized phosphorous-based organocatalysts on organic and inorganic supports. These catalytically active functional materials exhibit excellent recyclability. The materials were used up to 15 times without loss of activity.

Cyclic carbonates can be used as substrates for the indirect reduction of CO₂ to methanol (MeOH). MeOH serves as a solvent, fuel additive, and raw material for other chemicals. We developed an efficient protocol for the transfer hydrogenation of cyclic carbonates utilizing iron pincer complexes as catalyst. Notably, the same catalyst allows also the chemical recycling of polycarbonates leading to diols and MeOH.

CO₂ can also be utilized as a C1 building block in organic synthesis. In this regard we introduced novel catalytic systems for the tunable N-methylation and N-formylation of amines utilizing CO₂. Notably, polymethylhydrosiloxane (PMHS) could be utilized as reducing agent for the methylation of amines. PMHS is a byproduct of the silicone industry. It is a cheap, easy to handle, and environmentally friendly reducing agent.

Das anthropogene Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) entsteht in erster Linie durch die Verbrennung fossiler Ressourcen. Die drei wichtigsten Strategien zur Erreichung einer klimaneutralen Zukunft sind 1) die Substitution fossiler Ressourcen, 2) die Abscheidung und Speicherung von CO₂ (CCS) und 3) die Abscheidung und anschließende Nutzung von CO₂ (CCU) als chemischer Baustein aus der Atmosphäre und aus Industrieabgasen.

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Nutzung von CO₂ als C1-Baustein in katalytischen Prozessen zur Synthese wertvoller Folgeprodukte. Dazu gehören die Synthese von cyclischen Carbonaten, die indirekte Reduktion von CO₂ zu Methanol, die Herstellung von Polycarbonaten (PC) und isocyanatfreien Polyurethanen (NIPUs) sowie N-Methylierungs- und N-Formylierungsreaktionen unter Verwendung von CO₂. Derzeit arbeiten wir an CO₂-Abscheidungssystemen, die die Extraktion von CO₂ aus der Atmosphäre ermöglichen.

Beispielsweise haben wir homogene bifunktionelle Organokatalysatoren für die Addition von CO2 an Epoxide unter milden Bedingungen entwickelt. Die erhaltenen cyclischen Carbonate finden Anwendung, z. B. als Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien, Lösungsmittel, Bausteine und Monomere für die Polymersynthese. Die Umwandlung von biobasierten Epoxiden, z. B. epoxidiertem Leinöl und Fettsäurederivaten mit CO2 in katalytischen Prozessen, erfüllt mehrere Kriterien der Grünen Chemie. Die resultierenden Produkte finden Anwendung in der Industrie als Bestandteile von Schmierstoffen, Kosmetika und als Vorläufer für Biokunststoffe.

Das Recycling von Katalysatoren ist für industrielle Anwendungen von größter Bedeutung. Ein Ansatz ist die Immobilisierung eines Katalysators. Unter Katalysatorimmobilisierung versteht man einen Katalysator, der an einer bestimmten Position fixiert ist und Vorteile wie einfache Trennung, Wiederverwendbarkeit und Vereinfachung der Produktverarbeitung in einem Prozess bietet. Wir arbeiten an der kovalenten Immobilisierung von phosphorbasierten Organokatalysatoren und der nicht-kovalenten Immobilisierung von metallbasierten Katalysatoren für die Synthese von cyclischen Carbonaten aus CO2 und Epoxiden. Beispielsweise haben wir phosphorbasierte Organokatalysatoren auf organischen und anorganischen Trägern immobilisiert. Diese katalytisch aktiven Funktionsmaterialien weisen eine hervorragende Recyclingfähigkeit auf. Die Materialien wurden bis zu 15 Mal ohne Aktivitätsverlust verwendet.

Cyclische Carbonate können als Substrate für die indirekte Reduktion von CO2 zu Methanol (MeOH) verwendet werden. MeOH dient als Lösungsmittel, Kraftstoffzusatz und Rohstoff für andere Chemikalien. Wir haben ein effizientes Protokoll für die Transferhydrierung von cyclischen Carbonaten unter Verwendung von Eisenpinzettenkomplexen als Katalysator entwickelt. Bemerkenswert ist, dass derselbe Katalysator auch das chemische Recycling von Polycarbonaten zu Diolen und MeOH ermöglicht.

CO2 kann auch als C1-Baustein in der organischen Synthese verwendet werden. In diesem Zusammenhang haben wir neuartige katalytische Systeme für die abstimmbare N-Methylierung und N-Formylierung von Aminen unter Verwendung von CO2 eingeführt. Insbesondere könnte Polymethylhydrosiloxan (PMHS) als Reduktionsmittel für die Methylierung von Aminen verwendet werden. PMHS ist ein Nebenprodukt der Silikonindustrie. Es ist ein kostengünstiges, einfach zu handhabendes und umweltfreundliches Reduktionsmittel.