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Nur 18 Prozent des weltweiten Plastikmülls werden recycelt. Der Rest belastet Ökosysteme. Ein Forscherteam der Universität Cambridge hat nun ein Verfahren vorgestellt, das Kunststoffreste mithilfe von Sonnenlicht und alter Batteriesäure in Wasserstoff und wertvolle Chemikalien zerlegt.
Die weltweite Produktion von Plastik steigt rasant an. Im Jahr 2023 erreichte sie über 400.000.000 Tonnen. Bisher werden jedoch nur 18 Prozent des Abfalls recycelt. Große Müllberge belasten daher weltweit die Ökosysteme.
Chemische Verfahren wie das Photoreforming versprechen einen Ausweg. Dabei spaltet Lichtenergie Kunststoffe wie PET, Nylon oder Polyurethan in Wasserstoff und Chemikalien auf. Ein Team der Universität Cambridge veröffentlichte nun eine neue Methode in der Fachzeitschrift Joule.
Die notwendige Säure stammt aus verbrauchten Blei-Säure-Autobatterien. Diese Batterien fallen weltweit als Abfall an und enthalten große Mengen Schwefelsäure. Die Forscher nutzen diese, um Plastik in seine Einzelteile zu zerlegen.
Der Prozess benötigt keine neuen Chemikalien, da die Säure als Katalysator dient. Sie wird bei der Reaktion nicht verbraucht. So lassen sich zwei verschiedene Abfallprobleme gleichzeitig angehen.
Für die Versuche nutzten die Wissenschaftler auch PET-Flaschen aus lokalen Cafés. Diese wurden jedoch nicht einfach in den Reaktor gegeben. Zuerst zerkleinerten die Forscher das Material in kleine Stücke.
Anschließend froren sie die Reste mit flüssigem Stickstoff ein und mahlten sie in einer Kaffeemühle zu Pulver. Erst in dieser feinen Form konnten die Kunststoffreste effizient mit der Säure reagieren. Bei diesem Schritt fallen 75 Prozent der enthaltenen Terephthalsäure als Feststoff an. Hauptautor Kay Kwarteng, Doktorand in der Forschungsgruppe, die den Photokatalysator entwickelt hat, dazu:
Säuren werden schon seit langem zum Abbau von Kunststoffen eingesetzt, aber wir hatten bisher keinen kostengünstigen und skalierbaren Photokatalysator, der diesen Säuren standhalten konnte. Sobald wir dieses Problem gelöst hatten, wurden die Vorteile dieser Art von System offensichtlich.
Der Katalysator verarbeitet auch Nylon 66 und Polyurethan. Das Bauteil besteht aus Kohlenstoffnitrid und Molybdändisulfid. Fachleute bezeichnen es als CoMoS2-CNx. Der Katalysator arbeitet wie eine kleine Solaranlage auf molekularer Ebene.
Nylon 66 lieferte in den Tests 1,0 Millimol Wasserstoff pro Gramm Katalysator. Als Oxidationsprodukt kann dabei Pentansäure entstehen. Bei Polyurethan lag der Wasserstoffwert sogar bei 4,2 Millimol.
Die Effizienz der Lichtnutzung betrug bei zermahlten PET-Flaschen 9,0 Prozent. Das ist einer der höchsten jemals gemessenen Werte für diesen Prozess. In Langzeitversuchen blieb die Anlage über elf Tage stabil.
Dabei entstand neben Wasserstoff vor allem Essigsäure. Die Selektivität für dieses Produkt lag bei 89 Prozent. Die Forscher führen dies auf eine sogenannte 1,2-Hydridverschiebung am Katalysator zurück.
Eine wirtschaftliche Analyse verglich verschiedene Betriebsweisen. Am besten schnitt eine Kombination aus Solarzellen und LEDs ab. Diese erlauben einen Betrieb rund um die Uhr bei gleichbleibender Lichtqualität.
Durch den Verkauf von Terephthalsäure und Essigsäure könnte das Verfahren Profit abwerfen. Die Kosten für den Wasserstoff wären dann rechnerisch negativ. Allerdings fehlen in dieser Kalkulation noch die Kosten für die Trennung der chemischen Stoffe.
Die Integration in bestehende Rückgewinnungstechnologien ist daher für die Praxis entscheidend. Nur so lässt sich das Verfahren im industriellen Maßstab einsetzen. Zukünftige Arbeiten sollen nun spezielle Reaktoren für diesen Prozess untersuchen.
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