Ein Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft?

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Katalytische Dekonstruktion von PET durch Zirkonium-Metallorganisches Gerüst

Polyethylenterephthalat (PET), einer der verbreitetesten Kunststoffe, landet ausgedient meist auf Mülldeponien, in der Umwelt oder wird verbrannt, die Recyclingrate ist immer noch sehr niedrig. In Angewandte Chemie berichtet ein Forschungsteam der Northwestern University, Illinois, jetzt von einer Zirkonium-basierten metallorganischen Gerüstsubstanz, die einen Abbau von PET in seine Monomere katalysiert. Diese können erneut zu hochwertigem PET verarbeitet werden, sodass eine Kreislaufwirtschaft aufgebaut werden könnte.

Ein Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft? Katalytische Dekonstruktion von PET durch Zirkonium-Metallorganisches Gerüst – Grafik © m.frdl. Genehmigung. Angewandte Chemie, Wiley-VCH

Fast 70 Millionen Tonnen PET werden jährlich hergestellt und zu Produkten wie Fasern, Getränkeflaschen und Lebensmittelverpackungen verarbeitet. Obwohl PET eingeschmolzen und wiederverwendet werden kann, mindern die nötigen hohen Temperaturen die Qualität der Rezyklate, sodass diese Strategie auf wenige Zyklen limitiert ist. Eine chemische Dekonstruktion des PET in seine Monomere würde Ausgangsstoffe für die erneute Herstellung qualitativ hochwertiger PET-Produkte liefern, benötigt jedoch große Mengen an Lösungsmitteln und Reagenzien, hohe Drücke sowie eine aufwendige Abtrennung störender Nebenprodukte. Beimischungen und gefärbte Produkte können zudem Schwierigkeiten bereiten. Die Alternative wären katalytische Verfahren.

Ein Team um Omar K. Farha von der Northwestern University (Evanston, USA) berichtet jetzt über einen Katalysator, der PET-Abfälle bei 260 °C in Ausbeuten bis zu 98% in die Bausteine Terephthalsäure (TA) und Monomethylterephthalat (MMT) spaltet. Der Katalysator gehört zur Klasse der metallorganischen Gerüste (Metal-Organic Frameworks, MOFs), hochgeordneten, porösen Strukturen aus Metallen als Knotenpunkten und organischen Molekülen als Brücken. Die Wahl fiel auf UiO-66, ein bekanntes, auch im technischen Maßstab leicht herstellbares zirkoniumbasiertes MOF (Zr-MOF). UiO-66 enthält Knotenpunkte aus Clustern mit sechs Zirkoniumatomen, die über sechs Terephthalsäure-Moleküle verbrückt sind.

Ausgiebige Strukturanalysen ergaben, dass UiO-66 während des PET-Abbaus erstaunlicherweise in ein andere Form gleicher Zusammensetzung umgewandelt wird: MIL-140A, ein Gerüst aus siebenfach koordinierten Zirkoniumoxid-Ketten, die über Terephthalsäure-Brücken mit je sechs anderen Ketten verbunden sind. Die katalytische Aktivität nimmt durch die Umwandlung nur geringfügig ab.

Detaillierte mechanistische Studien sprechen für eine ß-Spaltung als hauptsächlichem Weg für die PET-Dekonstruktion, eine Reaktion, die auch bei der Thermolyse eine wichtige Rolle spielt, in Anwesenheit des Katalysators aber bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen läuft. In Anwesenheit von Wasserstoff findet zusätzlich eine Hydrogenolyse statt. Weder die Zumischung von Polyethylen oder Polypropylen noch eine Einfärbung des PET störten den Abbauprozess.

Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial etablierter MOFs als neuer Klasse polymerabbauender Katalysatoren, lang bestehende Herausforderungen im Zusammenhang mit Kunststoffabfällen zu meistern.

Über den Autor – Omar K. Farha hat zwei Stiftungsprofessuren für Chemie an der Northwestern University inne. Seine derzeitigen Forschungen umfassen verschiedene Gebiete der Chemie und Materialwissenschaften von Herausforderungen im Energie- bis hin zum Verteidigungsbereich. Dabei zielt seine Forschung vor allem auf das rationale Design Metall-organischer Gerüste (MOF) für Anwendungen in der Sensorik, Katalyse, Speicherung, Trenntechnik und Wasseraufreinigung ab und wurde vielfach ausgezeichnet.

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