16.12.2019 - Nanyang Technological University

Wissenschaftler wandeln Kunststoffe mit Hilfe von Sonnenlicht in nützliche Chemikalien um

Chemiker der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapore) haben ein Verfahren entdeckt, das Kunststoffabfälle durch die Nutzung von Sonnenlicht in wertvolle Chemikalien verwandeln kann.

In Laborexperimenten mischte das Forschungsteam Kunststoffe mit ihrem Katalysator in einem Lösungsmittel, wodurch die Lösung Lichtenergie nutzen und die gelösten Kunststoffe in Ameisensäure umwandeln kann - eine Chemikalie, die in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung eingesetzt wird.

Das Team unter der Leitung von NTU Assistant Professor Soo Han Sen von der School of Physical and Mathematical Sciences, das über ihre Arbeit in Advanced Science berichtet, stellte seinen Katalysator aus dem erschwinglichen, biokompatiblen Metall Vanadium her, das häufig in Stahllegierungen für Fahrzeuge und Aluminiumlegierungen für Flugzeuge verwendet wird.

Wenn der Katalysator auf Vanadiumbasis in einer Lösung gelöst wurde, die einen nicht biologisch abbaubaren Verbraucherkunststoff wie Polyethylen enthält, und künstlichem Sonnenlicht ausgesetzt war, brach er die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen innerhalb des Kunststoffs innerhalb von sechs Tagen ab.

Dabei wurde aus dem Polyethylen Ameisensäure, ein natürlich vorkommendes Konservierungsmittel und antibakterielles Mittel, das auch zur Energiegewinnung in Kraftwerken und in Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt werden kann.

"Wir wollten nachhaltige und kostengünstige Methoden entwickeln, um das Sonnenlicht zur Herstellung von Kraftstoffen und anderen chemischen Produkten zu nutzen", sagte Asst Prof Soo. "Diese neue chemische Behandlung ist das erste berichtete Verfahren, das einen nicht biologisch abbaubaren Kunststoff wie Polyethylen mit sichtbarem Licht und einem schwermetallfreien Katalysator vollständig zersetzen kann."

In Singapur wird der größte Teil der Kunststoffabfälle verbrannt, wobei Treibhausgase wie Kohlendioxid entstehen, und die restliche Masse - die Verbrennungsasche - wird zur Deponie Semakau transportiert, die bis 2035 voraussichtlich ausgelastet sein wird.

Die Entwicklung innovativer abfallfreier Lösungen, wie beispielsweise dieses umweltfreundliche Katalysators zur Umwandlung von Abfall in Ressourcen, ist Teil der NTU Smart Campus Vision, eine nachhaltige Zukunft zu entwickeln.

Nutzung der Sonnenenergie zur Umwandlung von Chemikalien

Der Katalysator auf Vanadiumbasis, der von organischen Gruppen getragen und typischerweise als LV(O) abgekürzt wird, nutzt Lichtenergie, um eine chemische Reaktion anzutreiben, und wird als Photokatalysator bezeichnet.

Photokatalysatoren ermöglichen es, chemische Reaktionen durch Sonnenlicht zu betreiben, im Gegensatz zu den meisten Reaktionen in der Industrie, die Wärme benötigen, die normalerweise durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt werden.

Weitere Vorteile des neuen Photokatalysators sind, dass er kostengünstig, reichlich vorhanden und umweltfreundlich ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren aus teuren oder toxischen Metallen wie Platin, Palladium oder Ruthenium.

Während Wissenschaftler andere Ansätze ausprobiert haben, um Altkunststoffe in nützliche Chemikalien umzuwandeln, beinhalten viele Ansätze unerwünschte Reagenzien oder zu viele Schritte, um sie zu vergrößern.

Ein Beispiel ist ein Ansatz namens Photoreforming, bei dem Kunststoff mit Wasser und Sonnenlicht kombiniert wird, um Wasserstoffgas zu erzeugen, was jedoch den Einsatz von Katalysatoren erfordert, die Cadmium, ein giftiges Schwermetall, enthalten. Andere Verfahren erfordern, dass Kunststoffe mit aggressiven chemischen Lösungen behandelt werden, die gefährlich im Umgang sind.

Die meisten Kunststoffe sind nicht biologisch abbaubar, da sie außerordentlich inerte chemische Bindungen enthalten, die als Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bezeichnet werden und ohne Anwendung hoher Temperaturen nicht leicht abgebaut werden können.

Der neue Photokatalysator auf Vanadiumbasis, der vom NTU-Forschungsteam entwickelt wurde, wurde speziell entwickelt, um diese Bindungen zu brechen, indem er sich an eine nahegelegene chemische Gruppe, die als Alkoholgruppe bekannt ist, anschließt und die vom Sonnenlicht absorbierte Energie nutzt, um das Molekül wie einen Reißverschluss zu entwirren.

Da die Experimente im Labormaßstab durchgeführt wurden, wurden die Kunststoffproben zunächst durch Erhitzen auf 85 Grad Celsius in einem Lösungsmittel gelöst, bevor der pulverförmige Katalysator gelöst wurde. Die Lösung wurde dann für einige Tage künstlichem Sonnenlicht ausgesetzt. Mit diesem Ansatz zeigte das Team, dass ihr Photokatalysator die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in über 30 verschiedenen Verbindungen abbauen konnte, und die Ergebnisse zeigten das Konzept eines umweltfreundlichen, kostengünstigen Photokatalysators.

Das Forschungsteam arbeitet nun an der Verbesserung des Prozesses, der den Abbau von Kunststoffen zur Herstellung anderer nützlicher chemischer Kraftstoffe, wie beispielsweise Wasserstoffgas, ermöglichen könnte.

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