Umwandlung von Kunststoffabfällen in Kraftstoff
Studie ebnet den Weg für ein energieeffizientes Upcycling von Kunststoffen und fördert eine nachhaltige Kraftstoffproduktion
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Kunststoffe werden wegen ihrer Langlebigkeit geschätzt, aber diese Eigenschaft macht es auch schwierig, sie abzubauen. Winzige Trümmerteile, so genanntes Mikroplastik, setzen sich im Boden, im Wasser und in der Luft fest und bedrohen Ökosysteme und die menschliche Gesundheit. Beim herkömmlichen Recycling werden Kunststoffe zur Herstellung neuer Produkte wiederaufbereitet, aber jedes Mal, wenn dies geschieht, wird das Material aufgrund von Verunreinigungen und dem Abbau der Polymere in den Kunststoffen qualitativ schlechter. Darüber hinaus kann das Recycling allein nicht mit der weltweit wachsenden Menge an Kunststoffabfällen Schritt halten.
Ali Kamali, Doktorand in Chemie- und Biomolekulartechnik an der Universität von Delaware, untersucht eine Probe eines aus Kunststoffen hergestellten Flüssigbrennstoffs. Er gehört zu einem von der UD geleiteten Forschungsteam, das eine neue Art von Katalysator entwickelt hat, der die Umwandlung von Kunststoffabfällen in flüssige Kraftstoffe schneller und mit weniger unerwünschten Nebenprodukten ermöglicht als die derzeitigen Methoden.
Kathy F. Atkinson/ University of Delaware
Nun hat ein Forscherteam unter Leitung der Universität Delaware einen neuartigen Katalysator entwickelt, der die Umwandlung von Kunststoffabfällen in flüssige Brennstoffe schneller und mit weniger unerwünschten Nebenprodukten als die derzeitigen Methoden ermöglicht. Die auf der Titelseite der Ausgabe von Chem Catalysis vom 18. September vorgestellte Pilotstudie ebnet den Weg für energieeffiziente Methoden zum Upcycling von Kunststoffen, zur Verringerung der Kunststoffverschmutzung und zur Förderung einer nachhaltigen Kraftstoffproduktion.
"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 Hauptautor Dongxia Liu, der 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 sind jedoch nur begrenzt effizient, da sperrige Polymermoleküle nur schwer mit den aktiven Stellen des Katalysators interagieren können, an denen die Reaktion abläuft. Um dieses Problem zu lösen, wandelten die Forscher MXene (ausgesprochen max-eens), eine Art von Nanomaterial, in mesoporöse MXene um, eine Form mit größeren, offeneren Poren, die bisher nicht für das Upcycling von Kunststoffen verwendet wurde.
"MXene bilden zweidimensionale Schichten, wie die Seiten eines Buches. Diese gestapelten Schichten in dem geschlossenen Buch erschweren es dem geschmolzenen Kunststoff, sich leicht hindurchzubewegen, was den Kontakt mit dem Katalysator einschränkt", erklärt Erstautor Ali Kamali, ein Doktorand in der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik. "Um das Design zu verbessern, fügten wir Siliziumdioxid-Säulen ein, um den Raum zwischen den MXen-Schichten zu öffnen, so dass die Polymere und Zwischenverbindungen, die während der Reaktion entstehen, leichter fließen können.
Sie testeten ihren mesoporösen MXen-gestützten Rutheniumkatalysator mit Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), einem Kunststoff, der häufig in Einkaufstüten und Plastikfolien verwendet wird. In einem kleinen Druckreaktor kombinierte das Team LDPE mit dem Katalysator und Wasserstoffgas und erhitzte die Mischung, wodurch der Kunststoff zu einem dicken Sirup schmolz.
Ihr Katalysator erreichte Reaktionsgeschwindigkeiten, die fast doppelt so hoch waren wie die zuvor für die Hydrogenolyse von LDPE berichteten. Der Katalysator wies auch eine hohe Selektivität auf, die eine gezielte Produktion von flüssigen Kraftstoffen bei gleichzeitiger Minimierung unerwünschter Nebenprodukte wie dem Treibhausgas Methan ermöglichte. Die Forscher führen diese Selektivität auf die Stabilisierung von Ruthenium-Nanopartikeln im mesoporösen Raum zwischen den MXen-Schichten zurück.
"Es ist uns gelungen, ein Material herzustellen, das nicht nur die Umwandlung beschleunigt, sondern auch die Qualität der Kraftstoffprodukte verbessert. Dieser Fortschritt unterstreicht das Potenzial nanostrukturierter mesoporöser Katalysatoren zur Verbesserung des Upcycling von Kunststoffen", so Liu.
Für die Zukunft plant das Forschungsteam, den Katalysator weiter zu verfeinern und eine breitere Bibliothek von Katalysatoren auf MXen-Basis für die Verwendung mit verschiedenen Arten von Kunststoffen zu entwickeln. Letztendlich hoffen sie auf eine Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie, 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 lokale Gemeinschaften darstellen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Ali Kamali, Joshua M. Little, Song Luo, Amy Chen, Akash Warty, Antara Bhowmick, Jorge Moncada, Evan P. Jahrman, Brandon C. Vance, Jong K. Keum, Taylor J. Woehl, Po-Yen Chen, Dionisios G. Vlachos, Dongxia Liu; "Plastic-waste hydrogenolysis over two-dimensional MXene-supported ruthenium catalysts with tunable interlayer spacing"; Chem Catalysis, Volume 5
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