25.08.2022 - Pacific Northwest National Laboratory

Upcycling von Kunststoffen: Vom Abfall zum Treibstoff

Problematische Kunststoffe könnten mit einer neuen Technologie von den Deponien ferngehalten und in Kraftstoffe umgewandelt werden

Eine auf der Herbsttagung der American Chemical Society in Chicago vorgestellte Innovation für das Kunststoffrecycling, die mit weniger mehr erreicht, erhöht gleichzeitig die Umwandlung in nützliche Produkte und verbraucht dabei weniger des Edelmetalls Ruthenium.

"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. Außerdem entsteht dabei im Vergleich zu anderen Methoden viel weniger Methan, ein unerwünschtes Treibhausgas, als Nebenprodukt.

"Es war für uns sehr interessant, dass es bisher keine Veröffentlichung mit diesem Ergebnis gab", sagte der promovierte Wissenschaftler Linxiao Chen, der 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 Forschungsarbeit 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 Studie, die kürzlich in ACS Catalysis veröffentlicht wurde, zeigten sie, dass die Verbesserung der Effizienz eintrat, als das niedrige Verhältnis von Metall zu Trägerstruktur dazu führte, dass sich die Struktur von einer geordneten Anordnung von Teilchen zu ungeordneten Flößen von Atomen verschob.

Gefangene Atome

Die langjährige Erfahrung des PNNL im Bereich der Ein-Atom-Katalysatoren half dem Team zu verstehen, 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 Forschungsarbeiten 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 befassen.

"Aus der Materialperspektive wurde viel getan, um zu verstehen, wie einzelne Atome oder sehr kleine Cluster effektive Katalysatoren bilden können", sagte Gutiérrez.

Auf der ACS stellte Chen auch neue Arbeiten vor, in denen die Rolle des Trägermaterials bei der Verbesserung der Effizienz des Systems untersucht wird.

"Wir haben billigere und leichter verfügbare Trägermaterialien untersucht, um Ceroxid zu ersetzen", so Chen. "Wir haben herausgefunden, dass ein chemisch modifiziertes Titanoxid einen effektiveren und selektiveren Weg für das Upcycling von Polypropylen ermöglichen könnte."

Lernen, wie man Chlor verträgt

Um die Methode für gemischte Kunststoffrecyclingströme praktikabel zu machen, untersucht das Forschungsteam nun, wie sich die Anwesenheit von Chlor auf die Effizienz der chemischen Umwandlung auswirkt.

"Wir untersuchen anspruchsvollere Extraktionsbedingungen", sagte der Chemiker Oliver Y. Gutiérrez, ein Experte für industrielle Anwendungen der Katalyse. "Wenn man keine saubere Kunststoffquelle hat, fällt in einem industriellen Upcycling-Prozess Chlor aus Polyvinylchlorid und anderen Quellen an. Chlor kann die Upcycling-Reaktion von Kunststoffen verunreinigen. Wir wollen verstehen, welche Auswirkungen Chlor auf unser System hat.

Dieses grundlegende Verständnis könnte nun dazu beitragen, Kunststoffabfälle, die normalerweise als Umweltverschmutzung enden würden, in nützliche Produkte umzuwandeln.

  • Linxiao Chen et al.; Disordered, Sub-Nanometer Ru Structures on CeO2 are Highly Efficient and Selective Catalysts in Polymer Upcycling by Hydrogenolysis; ACS Catal. 2022

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