Neuer Katalysator erleichtert das Upcycling, das Recycling und den biologischen Abbau von Einwegkunststoffen

Revolutionärer Durchbruch: Der Katalysator verwandelt Motoröl, Plastik und Erdgas in nachhaltige Materialien

28.02.2023 - USA

Forscher haben einen neuen Katalysator entwickelt, der Kohlenwasserstoffe in Chemikalien und Materialien umwandelt, die hochwertiger, leichter zu recyceln und in der Umwelt biologisch abbaubar sind. Dieser Katalysator wandelt Materialien wie Motoröl, Kunststoffe in Einweg-Lebensmitteltüten, Wasser- oder Milchflaschen und deren Verschlüsse und sogar Erdgas um. Er wurde von einem Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Aaron Sadow entwickelt, einem Wissenschaftler am Ames National Laboratory, Direktor des Institute for Cooperative Upcycling of Plastic (iCOUP) und Professor für Chemie an der Iowa State University.

Der neue Katalysator ist darauf ausgelegt, funktionelle Gruppen in aliphatische Kohlenwasserstoffe einzubringen. Aliphatische Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen. Sie vermischen sich in der Regel nicht mit Wasser und bilden stattdessen unterschiedliche Schichten, zum Teil weil sie keine funktionellen Gruppen enthalten. Funktionelle Gruppen sind spezifische Gruppierungen von Atomen in Molekülen, die einzigartige Eigenschaften haben. Wenn man diesen Kohlenwasserstoffketten funktionelle Gruppen hinzufügt, kann man ihre Eigenschaften drastisch verändern und die Materialien recycelbar machen.

"Methan in Erdgas ist der einfachste Kohlenwasserstoff, der nur aus Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (CH) besteht. Öle und Polymere haben Ketten von Kohlenstoffatomen, die durch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen (CC) verbunden sind", erklärt Sadow.

Umwandlung von Fliegen in abbaubare Kunststoffe

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Aliphatische Kohlenwasserstoffe machen einen Großteil des Erdöls und der raffinierten Erdölprodukte aus, z. B. Kunststoffe und Motoröle. Diese Materialien haben keine anderen funktionellen Gruppen, was bedeutet, dass sie nicht leicht biologisch abbaubar sind", sagte Sadow. "Daher ist es seit langem ein Ziel im Bereich der Katalyse, diese Art von Materialien zu nehmen und andere Atome, wie Sauerstoff, hinzuzufügen oder neue Strukturen aus diesen einfachen Chemikalien aufzubauen.

Leider erfordert der herkömmliche Weg, Kohlenwasserstoffketten Atome hinzuzufügen, einen erheblichen Energieaufwand. Zunächst wird Erdöl mit Hitze und Druck in kleine Bausteine "gecrackt". Anschließend werden diese Bausteine zum Aufbau von Ketten verwendet. Schließlich werden die gewünschten Atome am Ende der Ketten hinzugefügt. Bei diesem neuen Ansatz werden vorhandene aliphatische Kohlenwasserstoffe direkt ohne Cracken und bei niedriger Temperatur umgewandelt.

Schadows Team verwendete zuvor einen Katalysator, um die CC-Bindungen in diesen Kohlenwasserstoffketten zu brechen, und fügte gleichzeitig Aluminium an die Enden der kleineren Ketten an. Anschließend fügten sie Sauerstoff oder andere Atome ein, um funktionelle Gruppen einzuführen. Um einen ergänzenden Prozess zu entwickeln, fand das Team einen Weg, den Schritt des CC-Bindungsbruchs zu vermeiden. "Je nach der Kettenlänge des Ausgangsmaterials und den gewünschten Eigenschaften des Produkts könnten wir die Ketten verkürzen oder einfach die funktionelle Sauerstoffgruppe hinzufügen", sagte Sadow. "Wenn wir die CC-Spaltung vermeiden könnten, könnten wir im Prinzip nur die Ketten vom Katalysator auf Aluminium übertragen und dann Luft hinzufügen, um die funktionelle Gruppe zu installieren."

Sadow erklärte, dass der Katalysator synthetisiert wird, indem eine handelsübliche Zirkoniumverbindung auf handelsübliches Siliziumdioxid-Tonerde aufgebracht wird. Die Substanzen sind allesamt erdverbunden und kostengünstig, was für mögliche künftige kommerzielle Anwendungen von Vorteil ist.

Darüber hinaus sind der Katalysator und der Reaktant in Bezug auf Nachhaltigkeit und Kosten vorteilhaft. Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metall auf der Erde, und der verwendete Aluminiumreaktant wird synthetisiert, ohne dass Abfallprodukte anfallen. Der Katalysatorvorläufer auf Zirkoniumalkoxidbasis ist luftstabil, leicht verfügbar und wird im Reaktor aktiviert. "Im Gegensatz zu vielen frühen organometallischen Chemikalien, die extrem luftempfindlich sind, ist dieser Katalysatorvorläufer einfach zu handhaben", so Sadow.

Diese Chemie ist ein Schritt in Richtung der Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften einer Vielzahl von Kunststoffen, wie z. B. deren Festigkeit und Färbbarkeit. "Je weiter wir die Katalyse entwickeln, desto mehr funktionelle Gruppen werden wir einbauen können, um die physikalischen Eigenschaften der Polymere zu beeinflussen", so Sadow.

Sadow führte den Erfolg dieses Projekts auf die Zusammenarbeit im Rahmen von iCOUP zurück. Perras' Gruppe am Ames National Laboratory untersuchte Katalysatorstrukturen mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Die Gruppen von Coates, LaPointe und Delferro von der Cornell University und dem Argonne National Laboratory untersuchten die Polymerstruktur und die physikalischen Eigenschaften. Und die Gruppe von Peters an der University of Illinois modellierte statistisch die Polymerfunktionalisierung. "Die Projekterfolge des Zentrums beruhen auf den Beiträgen der Expertise vieler Gruppen", sagte Sadow. "Diese Arbeit unterstreicht die Vorteile der Teamforschung."

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