Neue Kunststoff-Upcycling-Technologie: Von Abfall zu Kraftstoff für weniger Geld

Von Pacific Northwest National Laboratory, 22. August 2022

Plastikmüll könnte eines Tages zu nützlichen Grundchemikalien recycelt werden, anstatt in der Umwelt zu landen. Bildnachweis: Bild von Cortland Johnson | Pacific Northwest National Laboratory

Neue Technologien könnten problematische Kunststoffe von Mülldeponien fernhalten und in Kraftstoffquellen umwandeln.

Eine Innovation beim Kunststoffrecycling, die mit weniger mehr erreicht und gleichzeitig die Umwandlung in nützliche Produkte erhöht und gleichzeitig weniger Edelmetall Ruthenium verbraucht. Es wird heute (22. August 2022) auf der Herbsttagung der American Chemical Society in Chicago vorgestellt.

„Die wichtigste Entdeckung, über die wir berichten, ist die sehr geringe Metallbelastung“, sagte der Chemiker Janos Szanyi vom Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), der das Forschungsteam leitete. „Dadurch wird der Katalysator deutlich günstiger.“

Die neue Technik wandelt Kunststoffe effizienter in wertvolle Grundchemikalien um – ein Prozess, der als „Upcycling“ bezeichnet wird. Darüber hinaus entsteht im Vergleich zu anderen bekannten Methoden viel weniger Methan, ein unerwünschtes Treibhausgas, als Nebenprodukt.

„Es war für uns sehr interessant, dass es zuvor nichts veröffentlichtes gab, das dieses Ergebnis zeigte“, sagte der Postdoktorand Linxiao Chen, der die Forschung am ACS vorstellte. „Diese Forschung zeigt die Möglichkeit, wirksame, selektive und vielseitige Katalysatoren für das Kunststoff-Upcycling zu entwickeln.“

Das Upcycling von Plastik bietet eine Möglichkeit, den überschüssigen Kohlenstoff, der heute Mülldeponien und Strände überfüllt, wiederzuverwenden. Bildnachweis: Animation von Sara Levine | Pacific Northwest National Laboratory

Kunststoffabfälle auf Erdölbasis stellen eine ungenutzte Quelle für kohlenstoffbasierte Chemikalien dar, die als Ausgangsmaterial für nützliche langlebige Materialien und Kraftstoffe dienen können. Trotz reichlicher Vorräte in den Recyclingbehältern wird derzeit nur sehr wenig Kunststoff tatsächlich recycelt, vor allem aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen. PNNL-Forscher versuchen jedoch, die Dynamik zu ändern, indem sie ihr Fachwissen zum effizienten Aufbrechen chemischer Bindungen einsetzen.

Es ist allgemein bekannt, dass die Zugabe von Wasserstoff – eine als Hydrogenolyse bekannte Reaktion – zu schwer zu recycelnden Kunststoffen wie Polypropylen und Polyethylen eine vielversprechende Strategie darstellt, um Kunststoffabfälle in kleine Kohlenwasserstoffe mit Mehrwert umzuwandeln. Dieser Prozess erfordert jedoch effiziente und selektive Katalysatoren, um ihn wirtschaftlich durchzuführen.

Hier hat sich diese aktuelle, von der PNNL durchgeführte Studie hervorgetan.

Das Wissenschaftlerteam stellte fest, dass die Reduzierung der Menge des Edelmetalls Ruthenium tatsächlich die Effizienz und Selektivität des Polymer-Upcyclings verbesserte. In einer kürzlich in der Fachzeitschrift ACS Catalysis veröffentlichten Studie zeigten sie, dass die Effizienzsteigerung dann eintrat, wenn das geringe Verhältnis von Metall zu Trägerstruktur dazu führte, dass sich die Struktur von einer geordneten Anordnung von Partikeln zu ungeordneten Flößen aus Atomen veränderte.

A track record of PNNL expertise in single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Atomkatalysatoren halfen dem Team zu verstehen, warum weniger mehr ist. Die Forscher beobachteten den Übergang zur Unordnung auf molekularer Ebene und zeigten dann mithilfe etablierter Theorien, dass einzelne Atome in dieser experimentellen Arbeit tatsächlich wirksamere Katalysatoren sind.

Die Arbeit baut auf der Forschung von Yong Wang, einem Professor für Chemieingenieurwesen an der Washington State University, Pullman und einem PNNL-Laboratoriumsstipendiaten, im Bereich Atomeinfang und Einzelatomkatalysatoren auf.

„Aus materieller Sicht wurden große Anstrengungen unternommen, um zu verstehen, wie einzelne Atome oder sehr kleine Cluster wirksame Katalysatoren bilden können“, sagte Gutiérrez.

Bei ACS beschrieb Chen auch neue Arbeiten, die die Rolle des Trägermaterials bei der Verbesserung der Effizienz des Systems untersuchen.

„Wir haben nach günstigeren und leichter erhältlichen Trägermaterialien gesucht, um Ceroxid zu ersetzen“, sagte Chen. „Wir haben herausgefunden, dass ein chemisch modifiziertes Titanoxid einen effektiveren und selektiveren Weg für das Polypropylen-Upcycling ermöglichen könnte.“

Um die Methode für den Einsatz bei gemischten Kunststoffrecyclingströmen praktisch zu machen, untersuchen die Forscher nun, wie sich die Anwesenheit von Chlor auf die Effizienz der chemischen Umwandlung auswirkt.

„Wir prüfen anspruchsvollere Extraktionsbedingungen“, sagte der Chemiker Oliver Y. Gutiérrez, Experte für industrielle Anwendungen der Katalyse. „Wenn Sie in einem industriellen Upcycling-Prozess keine saubere Kunststoffquelle haben, haben Sie Chlor aus Polyvinylchlorid und anderen Quellen. Chlor kann die Kunststoff-Upcycling-Reaktion verunreinigen. Wir wollen verstehen, welche Auswirkungen Chlor auf unser System hat.“

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

Referenz: „Disordered, Sub-Nanometer Ru Structures on CeO2 are Highly Efficient and Selective Catalysts in Polymer Upcycling by Hydrogenolysis“ von Linxiao Chen, Laura C. Meyer, Libor Kovarik, Debora Meira, Xavier I. Pereira-Hernandez, Honghong Shi, Konstantin Khivantsev, Oliver Y. Gutiérrez und János Szanyi, 5. April 2022, ACS Catalysis.DOI: 10.1021/acscatal.2c00684

Die Forschung wurde vom Department of Energy, Office of Science, unterstützt. Diese Forschung nutzte auch Ressourcen der Advanced Photon Source, einer Benutzereinrichtung des Office of Science, die vom Argonne National Laboratory für DOE betrieben wird.