Ein neuartiger Katalysator zersetzt Polyolefin-Kunststoffe in neue, nützliche Produkte. Dieses Projekt ist Teil einer neuen Strategie zur Reduzierung der Menge an Kunststoffabfällen und ihrer Auswirkungen auf unsere Umwelt sowie zur Rückgewinnung von Werten, die durch das Wegwerfen von Kunststoffen verloren gehen. Der Katalysator wurde von einem Team des Institute for Cooperative Upcycling of Plastic (iCOUP), einem US-Energieministerium, Energy Frontier Research Center, entwickelt. Die Bemühungen wurden von Aaron Sadow, dem Direktor von iCOUP, Wissenschaftler am Ames National Laboratory und Professor an der Iowa State University, geleitet; Andreas Heyden, Professor an der University of South Carolina; und Wenyu Huang, Wissenschaftler am Ames Lab und Professor an der Iowa State. Der neue Katalysator besteht nur aus auf der Erde reichlich vorhandenen Materialien, von denen sie gezeigt haben, dass sie Kohlenstoff-Kohlenstoff (CC)-Bindungen in aliphatischen Kohlenwasserstoffen aufbrechen können.
Aliphatische Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen. Polyolefin-Kunststoffe sind aliphatische Kohlenwasserstoffmaterialien, die aus langen Ketten von Kohlenstoffatomen bestehen, die miteinander verbunden sind, um starke Materialien zu bilden. Diese Materialien sind ein großer Teil der Plastikmüllkrise. Wenyu Huang sagte: „Mehr als die Hälfte der bisher hergestellten Kunststoffe basieren auf Polyolefinen.“
Polyolefin-Kunststoffe werden überall in der modernen Welt verwendet, einschließlich in Schrumpffolien und anderen Verpackungsprodukten, Behältern für Flüssigkeiten wie Waschmittel oder Milch, Fasern in wasserdichter Kleidung, Zahnseide und Elektronik. Wie Andreas Heyden erklärte, gehören Polyolefine jedoch zu den am schwierigsten zu recycelnden Kunststoffen, und es sind neue Ansätze erforderlich. Eine solche vielversprechende Alternative zum Recycling ist das sogenannte Upcycling. Dieser Ansatz beinhaltet die chemische Umwandlung der Materialien in höherwertige Produkte.
Eine Möglichkeit, Polyolefine zu recyceln, ist ein chemischer Prozess namens Hydrogenolyse. Dabei spaltet ein Katalysator Molekülketten, indem er CC-Bindungen spaltet und Wasserstoff hinzufügt. Laut Aaron Sadow basieren Katalysatoren, die für die Hydrogenolyse verwendet werden, typischerweise auf Edelmetallen wie Platin. Platin ist aufgrund seines geringen Vorkommens in der Erdkruste teuer und wird aufgrund seiner Wirksamkeit in vielen Arten von katalytischen Umwandlungen verwendet.
Um sowohl die Herausforderungen der Nachhaltigkeit als auch der Wirtschaftlichkeit anzugehen, sagte Heyden: „Wir dachten, wir könnten in der Lage sein, auf der Erde reichlich vorhandene Elemente zu verwenden, um viel billigere katalytische Materialien herzustellen, und durch den Zusammenbau dieser Elemente auf eine bestimmte Weise könnten wir eine hohe Selektivität erreichen und das immer noch sehr gute Aktion.“
Das Team entdeckte, dass Zirkonoxid, ein auf der Erde reichlich vorhandenes Metalloxid, CC-Bindungen in aliphatischen Kohlenwasserstoffpolymeren mit etwa der gleichen Geschwindigkeit wie Edelmetallkatalysatoren spalten kann. „Wir waren überrascht, dass wir eine Hydrogenolyse von CC-Bindungen unter Verwendung von Zirkonoxid als Katalysator durchführen konnten. Das herkömmliche Paradigma ist, dass Zirkonoxid allein nicht sehr reaktiv ist“, sagte Sadow.
Der Schlüssel zum Erfolg ist die Struktur des Katalysators, die von Wenyu Huang und seiner Gruppe entworfen wurde. „In dieser Architektur sind ultrakleine Zirkonoxid-Nanopartikel zwischen zwei Platten aus mesoporösem Siliziumdioxid eingebettet. Die beiden Siliziumdioxidplatten sind verschmolzen, wobei das Zirkonoxid in der Mitte eingebettet ist, wie ein Sandwich“, sagte Huang. „Die Poren in der Kieselsäure bieten Zugang zum Zirkonoxid, während die sandwichartige Struktur die Zirkonoxid-Nanopartikel vor Sinterung oder Kristallisation schützt, was sie weniger effektiv machen würde.“
Heydens Team war dafür verantwortlich, die Reaktion zu modellieren und zu verstehen, wo und wie das aktive Zentrum unter Reaktionsbedingungen funktioniert. „Dafür führen wir sowohl eine quantenchemische Modellierung des Katalysators als auch der chemischen Reaktionen zusammen mit einigen klassischen Modellierungen chemischer Reaktoren durch“, erklärte er. „Und hier haben wir wirklich die Bedeutung dieser amorphen Zirkonoxidstruktur gesehen.“
Laut Sadow basierte die Idee, Zirkonoxid in der Hydrogenolyse zu untersuchen, auf früheren bahnbrechenden Forschungen zur Polymerdepolymerisation unter Verwendung von Zirkoniumhydriden, die Ende der 1990er Jahre untersucht wurden. „Die Nutzung von Zirkoniumhydriden für die Hydrogenolyse ist eine wirklich schöne Chemie“, sagte er. „Das Problem ist, dass diese metallorganischen Zirkoniumspezies wirklich luft- und wasserempfindlich sind. Sie müssen also unter saubersten Bedingungen gehandhabt werden. Typischerweise ist Polymerabfall nicht rein und wird nicht als sauberes und perfekt trockenes Ausgangsmaterial geliefert. Verwendung von Zirkonium Hydrid-Katalysator, müssten Sie sich wirklich Sorgen um Verunreinigungen machen, die die Chemie hemmen.“
Das neue Zirkonoxidmaterial, das das Team entwickelt hat, wird vor den Reaktionen einfach unter Vakuum erhitzt und bleibt während des Hydrogenolyseprozesses aktiv. „Zirkoniumoxid lässt sich leicht an der Luft handhaben und dann aktivieren. Es erfordert keinerlei wirklich spezielle Bedingungen, was ebenfalls spannend war“, sagte Sadow. „In der Lage zu sein, ein der Luft ausgesetztes Metalloxid zu nehmen, es mit einem Alkan zu erhitzen und ein Organometall zu erzeugen, ist eine wirklich starke Reaktion, die diese Art von Hydrogenolyseprozess ermöglicht. Es könnte möglicherweise viele interessante katalytische Umwandlungen von Kohlenwasserstoffen ermöglichen, die es bisher nicht gab berücksichtigt.“
Diese Forschung wird in dem Artikel „Ultrakleine amorphe Zirkonoxid-Nanopartikel katalysieren die Hydrogenolyse von Polyolefinen,“ geschrieben von Shaojiang Chen, Akalanka Tennakoon, Kyung-Eun You, Alexander L. Paterson, Ryan Yappert, Selim Alayoglu, Lingzhe Fang, Xun Wu, Tommy Yunpu Zhao, Michelle P. Lapak, Mukunth Saravanan, Ryan A. Hackler, Yi -Yu Wang, Long Qi, Massimiliano Delferro, Tao Li, Byeongdu Lee, Baron Peters, Kenneth R. Poeppelmeier, Salai C. Ammal, Clifford R. Bowers, Frédéric A. Perras, Andreas Heyden, Aaron D. Sadow und Wenyu Huang , und veröffentlicht im Naturkatalyse.
Mehr Informationen:
Shaojiang Chen et al, Ultrakleine amorphe Zirkonoxid-Nanopartikel katalysieren Polyolefin-Hydrogenolyse, Naturkatalyse (2023). DOI: 10.1038/s41929-023-00910-x