Ein einzigartiger Katalysator ebnet den Weg für das Upcycling von Kunststoffen
Ein kürzlich entwickelter Katalysator für die Aufspaltung von Kunststoffen bringt Upcycling-Verfahren für Kunststoffe weiter voran. Im Jahr 2020 entwickelte ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Ames-Labors den ersten prozessiven anorganischen Katalysator zur Zerlegung von Polyolefin-Kunststoffen in Moleküle, die zur Herstellung wertvollerer Produkte verwendet werden können. Jetzt hat das Team eine Strategie entwickelt und validiert, mit der sich die Umwandlung beschleunigen lässt, ohne dass die gewünschten Produkte verloren gehen.
Darstellung von zwei Varianten des Katalysators, bei denen ein Teil der Hülle entfernt wurde, um das Innere zu zeigen. Die weiße Kugel stellt die Siliziumdioxidhülle dar, die Löcher sind die Poren. Die hellgrünen Kugeln stellen die katalytischen Stellen dar, die linken sind viel kleiner als die rechten. Die längeren roten Fäden stellen die Polymerketten dar, und die kürzeren Fäden sind die Produkte nach der Katalyse. Alle kürzeren Fäden haben eine ähnliche Größe, was die gleichbleibende Selektivität bei verschiedenen Katalysatorvarianten zeigt. Außerdem entstehen an den kleineren Katalysatorstellen mehr kleinere Ketten, da die Reaktion schneller abläuft.
Image courtesy of Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy
Der Katalysator wurde ursprünglich von Wenyu Huang, einem Wissenschaftler am Ames Lab, entwickelt. Er besteht aus Platinpartikeln, die auf einem festen Siliziumdioxidkern sitzen und von einer Siliziumdioxidhülle mit gleichmäßigen Poren umgeben sind, die den Zugang zu den katalytischen Stellen ermöglichen. Die benötigte Gesamtmenge an Platin ist recht gering, was aufgrund der hohen Kosten und der begrenzten Verfügbarkeit von Platin wichtig ist. Bei den Dekonstruktionsexperimenten fädeln sich die langen Polymerketten in die Poren ein und kommen mit den Katalysatorstellen in Berührung; anschließend werden die Ketten in kleinere Stücke zerlegt, die nicht mehr aus Kunststoff bestehen.
Aaron Sadow, Wissenschaftler am Ames Lab und Direktor des Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), erklärte, dass das Team drei Varianten des Katalysators entwickelt hat. Jede Variante hatte gleich große Kerne und poröse Hüllen, aber unterschiedliche Durchmesser der Platinpartikel, von 1,7 über 2,9 bis 5,0 nm.
Das Team stellte die Hypothese auf, dass sich die Unterschiede in der Größe der Platinpartikel auf die Länge der Produktketten auswirken würden, so dass große Platinpartikel längere Ketten und kleine kürzere Ketten bilden würden. Die Gruppe stellte jedoch fest, dass die Länge der Produktketten bei allen drei Katalysatoren gleich groß war.
"In der Literatur variiert die Selektivität für Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsspaltungsreaktionen normalerweise mit der Größe der Platin-Nanopartikel. Indem wir das Platin am Boden der Poren platzierten, konnten wir etwas ganz Besonderes beobachten", so Sadow.
Stattdessen war die Geschwindigkeit, mit der die Ketten in kleinere Moleküle gespalten wurden, bei den drei Katalysatoren unterschiedlich. Die größeren Platinpartikel reagierten langsamer mit der langen Polymerkette, während die kleineren schneller reagierten. Diese höhere Geschwindigkeit könnte darauf zurückzuführen sein, dass die kleineren Nanopartikel einen höheren Anteil an Platinplätzen an den Kanten und Ecken aufweisen. Diese Stellen sind bei der Spaltung der Polymerkette aktiver als das Platin, das sich auf den Flächen der Partikel befindet.
Laut Sadow sind die Ergebnisse wichtig, weil sie zeigen, dass die Aktivität bei diesen Reaktionen unabhängig von der Selektivität eingestellt werden kann. "Jetzt sind wir zuversichtlich, dass wir einen aktiveren Katalysator herstellen können, der das Polymer noch schneller aufspaltet, während wir die strukturellen Parameter des Katalysators nutzen, um bestimmte Produktkettenlängen einzustellen", sagte er.
Huang erläuterte, dass diese Art der Reaktivität größerer Moleküle in porösen Katalysatoren im Allgemeinen noch nicht umfassend untersucht wurde. Daher ist die Forschung wichtig, um die wissenschaftlichen Grundlagen zu verstehen und um zu sehen, wie sie sich für das Upcycling von Kunststoffen eignet.
"Wir müssen das System wirklich noch besser verstehen, denn wir lernen immer noch jeden Tag neue Dinge. Wir erforschen weitere Parameter, die wir einstellen können, um die Produktionsrate weiter zu erhöhen und die Produktverteilung zu verändern", so Huang. "Es gibt also noch viele neue Dinge, die auf unserer Liste stehen und darauf warten, von uns entdeckt zu werden."
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