Vom Abfall zum Treibstoff für weniger Geld
Problematische Kunststoffe wie Plastikabfälle könnten mit einer neuen Technologie von der Mülldeponie ferngehalten und in nützliche chemische Grundstoffe wie etwa Brennstoffe umgewandelt werden, anstatt in der Umwelt zu landen. Eine am 22.08.2022 im Rahmen der Herbsttagung der American Chemical Society in Chicago vorgestellte und in ACS Catalysis veröffentlichte Innovation im Bereich des Kunststoffrecyclings, die mit weniger mehr erreicht, erhöht gleichzeitig die Umwandlung in nützliche Produkte und verbraucht dabei weniger des Edelmetalls Ruthenium.
‚Unser‘ Plastikmüll – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify
„Die wichtigste Entdeckung, über die wir berichten, ist die sehr geringe Metallbelastung“, sagte der Chemiker Janos Szanyi vom Pacific Northwest National Laboratory, der das Forschungsteam leitete. „Das macht den Katalysator viel billiger.“ Die neue Methode wandelt Kunststoffe effizienter in wertvolle chemische Grundstoffe um – ein Prozess, der als „Upcycling“ bezeichnet wird. Darüber hinaus entsteht bei diesem Verfahren im Vergleich zu anderen Methoden viel weniger Methan, ein unerwünschtes Treibhausgas, als Nebenprodukt.
„Es war für uns sehr interessant, dass dieses Ergebnis bisher noch nicht veröffentlicht worden war“, sagte die promovierte Wissenschaftlerin Linxiao Chen, die die Forschungsergebnisse auf der ACS präsentierte. „Diese Forschung zeigt die Möglichkeit auf, effektive, selektive und vielseitige Katalysatoren für das Upcycling von Kunststoffen zu entwickeln.“
Weniger Metall ist mehr beim Upcycling von Kunststoffen
Kunststoffabfälle auf Erdölbasis stellen eine ungenutzte Quelle für kohlenstoffbasierte Chemikalien dar, die als Ausgangsmaterial für nützliche langlebige Materialien und Kraftstoffe dienen können. Derzeit wird nur sehr wenig Kunststoff recycelt, hauptsächlich aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen. Die Wissenschaftler des PNNL versuchen jedoch, diese Dynamik zu ändern, indem sie ihr Fachwissen über das effiziente Aufbrechen chemischer Bindungen einsetzen.
Es ist bekannt, dass die Zugabe von Wasserstoff – eine Reaktion, die als Hydrogenolyse bekannt ist – zu schwer zu recycelnden Kunststoffen wie Polypropylen und Polyethylen eine vielversprechende Strategie zur Umwandlung von Kunststoffabfällen in kleine Kohlenwasserstoffe mit hohem Mehrwert darstellt. Dieses Verfahren erfordert effiziente und selektive Katalysatoren, um es wirtschaftlich durchführbar zu machen.
Hier hat sich die jüngste Forschung unter Leitung des PNNL ausgezeichnet. Das Forschungsteam entdeckte, dass die Verringerung der Menge des Edelmetalls Ruthenium die Effizienz und Selektivität des Polymer-Upcycling tatsächlich verbesserte. In einer kürzlich in ACS Catalysis veröffentlichten Untersuchung zeigten sie, dass die Verbesserung der Effizienz eintrat, als das geringe Verhältnis von Metall zu Trägerstruktur dazu führte, dass sich die Struktur von einer geordneten Anordnung von Teilchen zu ungeordneten Atomflößen verschob.
Gefangene Atome
Die langjährige Erfahrung des PNNL auf dem Gebiet der einatomigen Katalysatoren half dem Team zum Verständnis, warum weniger mehr ist. Das Forschungsteam beobachtete den Übergang zur Unordnung auf molekularer Ebene und nutzte dann die etablierte Theorie, um zu zeigen, dass einzelne Atome in dieser experimentellen Arbeit tatsächlich effektivere Katalysatoren sind. Die Arbeit baut auf den Forschungen von Yong Wang, Professor für Chemieingenieurwesen an der Washington State University, Pullman, und Stipendiat des PNNL-Labors, auf, die sich mit dem Einfangen von Atomen und einatomigen Katalysatoren beschäftigen. „Aus der Materialperspektive wurden große Anstrengungen unternommen, um zu verstehen, wie einzelne Atome oder sehr kleine Cluster effektive Katalysatoren bilden können“, so Gutiérrez.
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