Weniger als 10 Prozent der weltweit produzierten Kunststoffe werden recycelt. Kunststoffabfälle häufen sich auf Deponien und in Gewässern und bedrohen Tierwelt und Umwelt. Bis 2025 wird diese Kunststoffansammlung voraussichtlich 40 Milliarden Tonnen erreichen. Etwa 33 Prozent des weltweit auf Deponien gelagerten Materialien besteht aus dem in Verpackungen und im Bauwesen weit verbreiteten Polystyrol (PS), das sogar nur zu einem Prozent recycelt wird.
Die weltweite Produktionskapazität von Polystyrol erreichte im Jahr 2022 mehr als 15,4 Millionen Tonnen, Tendenz steigend. Das Recycling von Kunststoffen, insbesondere von Polystyrol, zählt damit zu den größten gesellschaftlichen Herausforderungen. Effektive, kosteneffiziente Recycling-Methoden, bei denen Kunststoff-Abfälle zu wertvollen kleinen Molekülen abgebaut und erneut in chemischen Synthesen eingesetzt werden, wären ein Schritt in Richtung einer nachhaltigen Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft.
Abbau von Polystrol
Das Team um Lutz Ackermann vom Friedrich-Wöhler-Forschungsinstitut für Nachhaltige Chemie in Göttingen hat jetzt eine elektrokatalytische Methode entwickelt, bei der Polystyrole effizient abgebaut werden. Beim Abbau entsteht ein vergleichsweise hoher Anteil an monomeren Benzoyl-Produkten, die wieder als chemische Ausgangsstoffe verwendet werden können, sowie kurze Polymerketten.
Schlüssel zum Erfolg ist ein leistungsstarker Eisen-basierter Katalysator, ein Eisen-Porphyrin-Komplex, ähnlich dem in unserem Hämoglobin. Der Vorteil gegenüber vielen anderen katalytisch aktiven Metallen: Eisen ist ungiftig, kostengünstig und leicht zu gewinnen. Während der elektrokatalytischen Reaktion wechseln die Eisenverbindungen zyklisch zwischen verschiedenen Oxidationsstufen (IV, III und II). Über eine Reihe von Reaktionsschritten und Zwischenprodukten werden letztlich Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Polymerrückgrats gespalten.
Als Hauptprodukte entstehen Benzoesäure und Benzaldehyd. Benzoesäure kann als Ausgangsstoff für verschiedene chemische Synthesen dienen, z.B. zur Herstellung von Duft- und Konservierungsstoffen. Wie robust die neuartige Elektrokatalyse ist, konnte am effizienten Abbau realer Plastikabfälle im Gramm-Maßstab demonstriert werden.
Der Polystyrol-Abbau könnte zudem vollständig durch Strom aus kommerziellen Solarpanelen angetrieben werden. Parallel zur Abbau-Reaktion findet eine nützliche Nebenreaktion statt: die Wasserstoffentwicklung. Damit kombiniert das neue elektrokatalytische Verfahren, das sich leicht in den technischen Maßstab skalieren lässt, ein effektives Recycling von Kunststoffabfällen mit einer dezentralen grünen Wasserstoffproduktion.
