"Elektrisierende" Errungenschaft für die Herstellung nachhaltigerer Polymere

Neues, kostengünstiges Material kann mit minimalem Energieaufwand und ohne gefährliche Chemikalien hergestellt werden

24.05.2023 - Australien

Chemieforscher der Flinders University haben einen neuen Weg gefunden, "grüne" Polymere aus kostengünstigen Bausteinen mit nur wenig Strom herzustellen.

Die Reaktion ist schnell und findet bei Raumtemperatur statt. Es werden keine gefährlichen chemischen Initiatoren benötigt - nur Elektrizität. Es gibt viele potenzielle Einsatzmöglichkeiten, unter anderem bei der Goldgewinnung und beim Recycling von Elektroschrott, wie ein interdisziplinäres Team in einem soeben im renommierten Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Artikel darlegt.

Während jedes Jahr Hunderte von Millionen Tonnen Kunststoff produziert werden, von denen bis zur Hälfte für einen einzigen Zweck verwendet wird, arbeitet die Forschungsgruppe der Flinders University an nachhaltigeren Optionen. Der bei der Herstellung verwendete Strom trägt zur Umweltverschmutzung und globalen Erwärmung bei.

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"Die Nutzung von Elektrizität zur Herstellung neuer Materialien ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet, das viele Türen zu neuen Chemikalien und Polymeren öffnet, die auf nachhaltigere Weise hergestellt werden können", sagt Mitautor Dr. Thomas Nicholls, ein Experte für die Nutzung der Elektrochemie zur Herstellung wertvoller Moleküle.

Der Prozess beginnt damit, dass dem Grundbaustein oder Monomer ein Elektron hinzugefügt wird. Nachdem das Monomer "elektrokatalysiert" wurde, reagiert es mit einem anderen Baustein in einer Kettenreaktion, die zur Bildung eines Polymers führt.

Erstautorin und Doktorandin Jasmine Pople sagt: "Unsere Methode zur elektrochemischen Herstellung von Polymeren liefert neue Materialien, die hochfunktional und umweltfreundlich sind."

"Die Nutzung von Elektrizität zur Herstellung wertvoller Moleküle nimmt aufgrund ihrer Vielseitigkeit rasch zu. Außerdem fallen dabei weniger Abfälle an als bei herkömmlichen chemischen Synthesen und es kann mit erneuerbarer Energie betrieben werden.

Das vom Team hergestellte Schlüsselpolymer hat Schwefel-Schwefel-Bindungen in seinem Rückgrat. Diese Schwefelgruppen können nützliche Funktionen erfüllen, z. B. Edelmetalle wie Gold binden. Das Team hat gezeigt, dass das Schlüsselpolymer 97 % des Goldes aus Lösungen entfernen kann, die für den Bergbau und das Recycling von Elektroschrott relevant sind.

Die Schwefel-Schwefel-Bindungen können auch gebrochen und neu gebildet werden. Diese interessante Eigenschaft ermöglichte es dem Team, Bedingungen zu finden, unter denen das Polymer wieder in seinen ursprünglichen Baustein umgewandelt werden kann. Dies ist ein wichtiger Fortschritt für das Recycling.

Wenn herkömmliche Kunststoffe recycelt werden, werden sie in der Regel einfach erhitzt und zu einem neuen Produkt umgeformt. Dieser Prozess kann zu einer Zersetzung und einem Downcycling (Umwandlung in ein weniger wertvolles Material) führen, so dass sie schließlich auf einer Mülldeponie entsorgt werden.

Im Gegensatz dazu können die in den jüngsten Forschungsarbeiten der Wissenschaftler der Flinders University hergestellten Polymere in hoher Ausbeute chemisch in die einzelnen Bausteine zurückverwandelt werden, was bedeutet, dass dieser Baustein erneut zur Herstellung neuer Polymere verwendet werden kann.

Das Team führte auch quantenmechanische Berechnungen durch, um zu verstehen, wie die Reaktion im Einzelnen funktioniert. Die Ergebnisse waren überraschend und zufällig.

"Die Polymerisation verfügt über einen ausgeklügelten Selbstkorrekturmechanismus: Immer wenn die falsche Reaktion auftritt, kehrt sie um, bis die richtige Reaktion abläuft, wodurch ein einheitliches Polymer gewährleistet wird", sagt Dr. Le Nhan Pham, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich der computergestützten und physikalischen Chemie.

Zu den künftigen Anwendungen dieser Materialklasse gehören Umweltsanierung, Goldgewinnung und die Verwendung des Polymers als antimikrobielles Mittel.

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