Aus Kunststoffabfällen wird Kraftstoff

Kunststoffe werden wegen ihrer Langlebigkeit geschätzt, aber diese Eigenschaft macht sie auch schwer abbaubar. Winzige Abfallteilchen, sogenannte Mikroplastik, verbleiben in Boden, Wasser und Luft und gefährden Ökosysteme und die menschliche Gesundheit. Beim herkömmlichen Recycling werden Kunststoffe zu neuen Produkten verarbeitet, aber jedes Mal, wenn dies geschieht, verliert das Material aufgrund von Verunreinigungen und dem Abbau der Polymere in den Kunststoffen an Qualität. Darüber hinaus kann das Recycling allein mit dem wachsenden Volumen an globalen Kunststoffabfällen nicht Schritt halten.

Nun hat ein Forschungsteam unter der Leitung der University of Delaware einen neuen Katalysator entwickelt, der die Umwandlung von Kunststoffabfällen in flüssige Brennstoffe schneller und mit weniger unerwünschten Nebenprodukten als bisherige Verfahren ermöglicht. Die auf dem Cover der Ausgabe vom 18. September der Fachzeitschrift Chem Catalysis vorgestellte Pilotstudie ebnet den Weg für energieeffiziente Verfahren zum Upcycling von Kunststoffen, zur Verringerung der Kunststoffverschmutzung und zur Förderung einer nachhaltigen Brennstoffproduktion.

„Anstatt Kunststoffe als Abfall anzusammeln, werden sie beim Upcycling wie feste Brennstoffe behandelt, die in nützliche flüssige Brennstoffe und Chemikalien umgewandelt werden können, was eine schnellere, effizientere und umweltfreundlichere Lösung darstellt“, sagte der leitende Autor Dongxia Liu, Robert K. Grasseli-Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik am College of Engineering der UD.

Ein vielversprechender Upcycling-Ansatz ist die Hydrogenolyse, bei der Wasserstoffgas und ein Katalysator verwendet werden, um die Polymere in Kunststoffen in flüssige Kraftstoffe für den Transport und die industrielle Nutzung umzuwandeln. Herkömmliche Katalysatoren haben jedoch eine begrenzte Effizienz, da die sperrigen Polymermoleküle nur schwer mit den aktiven Stellen des Katalysators interagieren können, an denen die Reaktion stattfindet. Um dieses Problem zu lösen, wandelten die Forscher MXene (ausgesprochen ​„Maxene“), eine Art Nanomaterial, in mesoporöse MXene um, eine Form mit größeren, offeneren Poren, die bisher noch nicht für das Upcycling von Kunststoffen verwendet worden war.

„MXene bilden zweidimensionale Schichten, ähnlich wie die Seiten eines Buches. Diese gestapelten Schichten in dem geschlossenen Buch erschweren es dem geschmolzenen Kunststoff, sich leicht zu bewegen, wodurch der Kontakt mit dem Katalysator eingeschränkt wird“, erklärte der Erstautor Ali Kamali, Doktorand am Fachbereich für Chemie- und Biomolekulartechnik. ​„Um das Design zu verbessern, haben wir Siliziumdioxid-Säulen eingefügt, um den Raum zwischen den MXene-Schichten zu öffnen, sodass die Polymere und Zwischenverbindungen, die während der Reaktion entstehen, leichter fließen können.“
Sie testeten ihren mesoporösen MXene-gestützten Rutheniumkatalysator mit Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), einem Kunststoff, der häufig in Einkaufstüten und Kunststofffolien verwendet wird. In einem kleinen Druckreaktor kombinierte das Team LDPE mit dem Katalysator und Wasserstoffgas und erhitzte die Mischung, wodurch der Kunststoff zu einem dickflüssigen Sirup schmolz.

Ihr Katalysator erreichte Reaktionsgeschwindigkeiten, die fast doppelt so hoch waren wie die zuvor für die LDPE-Hydrogenolyse berichteten. Der Katalysator zeigte auch eine hohe Selektivität, die eine gezielte Produktion von flüssigen Brennstoffen ermöglichte und gleichzeitig unerwünschte Nebenprodukte wie das Treibhausgas Methan minimierte. Die Forscher führen diese Selektivität auf die Stabilisierung von Ruthenium-Nanopartikeln im mesoporösen Raum zwischen den MXene-Schichten zurück.

„Wir konnten ein Material herstellen, das nicht nur die Umwandlung beschleunigt, sondern auch die Qualität der Kraftstoffprodukte verbessert. Dieser Fortschritt unterstreicht das Potenzial nanostrukturierter mesoporöser Katalysatoren zur Verbesserung des Kunststoff-Upcyclings“, sagte Liu.

Für die Zukunft plant das Forschungsteam, den Katalysator weiter zu verfeinern und eine breitere Palette von MXene-basierten Katalysatoren für die Verwendung mit verschiedenen Kunststoffarten zu entwickeln. Letztendlich hoffen sie, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um Kunststoffabfälle von einem Problem in eine Ressource zu verwandeln und sie in Kraftstoffe und Chemikalien umzuwandeln, die nicht nur der Umwelt helfen, sondern auch einen wirtschaftlichen Wert für die lokalen Gemeinden haben.

_{(Übersetzt mit DeepL​.com, kostenlose Version)}