Effiziente Methode zerlegt Plastikflaschen in Bestandteile

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US-Forscher demonstrieren erstmals Einsatz von metallorganischen Gerüsten zum Abbau von Kunststoffen

Ein Forschungsteam der Northwestern University (Evanston/Chikago) hat in einer kürzlich in Angewandte Chemie veröffentlichten Arbeit erstmals gezeigt, dass ein metallorganisches Gerüst (MOF) als stabiler und selektiver Katalysator für die Zerlegung von Kunststoffen auf Polyesterbasis in seine Bestandteile taugt. Es werden nur drei Dinge benötigt: Kunststoff, Wasserstoff und der Katalysator. Ein wichtiger Bonus ist, dass eine der Komponenten, in die der Kunststoff zerlegt wird, Terephthalsäure ist, eine Chemikalie, die zur Herstellung von Kunststoff verwendet wird. Mit der Northwestern-Methode ist es nicht notwendig, den ganzen Weg zurück zum Öl und zur teuren und energieintensiven Produktion und Abtrennung von Xylolen zu gehen.

Weggeworfene Plastikflasche – Foto © Veronika Neukum

„Wir können bei der Herstellung von Plastikflaschen viel besser vorgehen als bei Null anzufangen“, so Omar Farha, Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences. Er ist der korrespondierende Autor der Studie. „Unser Verfahren ist viel sauberer.“ Die Forscher wählten ein MOF auf Zirkoniumbasis namens UiO-66, weil er einfach herzustellen, skalierbar und kostengünstig ist. Yufang Wu, Erstautorin der Studie und Gaststudentin in Farhas Gruppe, benutzte das Plastik, das am praktischsten war: die Plastikwasserflaschen, die ihre Kollegen im Labor weggeworfen hatten. Sie zerkleinerte sie, erhitzte den Kunststoff und trug den Katalysator auf.

„Das MOF funktionierte sogar noch besser, als wir erwartet hatten“, so Farha. „Wir haben festgestellt, dass der Katalysator sehr selektiv und robust ist. Weder die Farbe der Plastikflasche noch der unterschiedliche Kunststoff, aus dem die Flaschenverschlüsse hergestellt waren, beeinflussten die Effizienz des Katalysators. Und die Methode benötigt keine organischen Lösungsmittel, was ein Pluspunkt ist.“

Was sind MOFs?

MOFs sind eine Klasse von Materialien in Nanogröße, die aufgrund ihrer hochgradig geordneten Strukturen umfassend untersucht wurden. Farha erforscht MOFs seit mehr als einem Jahrzehnt und hat bereits gezeigt, dass sie zur Zerstörung giftiger Nervenkampfstoffe eingesetzt werden können. In der aktuellen Studie, so Farha, wirken MOFs in ähnlicher Weise – sie brechen eine Esterbindung, um Polyethylenterephthalat (PET) abzubauen. Dieser Kunststoff ist einer der weltweit am meisten verbreiteten Kunststoffe.
„Wir verwenden Zirkonium-MOFs schon seit Jahren zum Abbau von Nervenkampfstoffen“, so Farha. „Das Team hat sich dann gefragt, ob diese MOFs auch Kunststoffe abbauen können, obwohl die Reaktionen und Mechanismen unterschiedlich sind. Diese Neugierde führte zu unseren jüngsten Erkenntnissen“.
„Diese Forschung trägt dazu bei, die seit langem bestehenden Probleme im Zusammenhang mit Kunststoffabfällen zu lösen und eröffnet neue Bereiche und Anwendungen für MOFs“, so Farha.

Wie Tinkertoys vorstellen

MOFs bestehen aus organischen Molekülen und Metallionen oder Clustern, die sich selbst zu mehrdimensionalen, hochkristallinen, porösen Gerüsten zusammenfügen. Um sich die Struktur eines MOFs vorzustellen, so Farha, stelle man sich ein Set von Tinkertoys (ein Kinderspielzeug von 1914) vor, in dem die Metallionen oder -cluster die kreisförmigen oder quadratischen Knoten sind und die organischen Moleküle die Stäbe, die die Knoten zusammenhalten. UiO-66 ist nicht nur einfach herzustellen, skalierbar und kostengünstig, sondern hat auch den Vorteil, dass der organische Linker des MOFs, Terephthalsäure (TA), das ist, was man erhält, wenn man Plastik abbaut. Untersuchungen zur strukturellen Charakterisierung ergaben, dass UiO-66 während des Abbauprozesses eine interessante Umwandlung in ein anderes MOF auf Zirkoniumbasis namens MIL-140A durchläuft. Dieses MOF zeigte ebenfalls eine große katalytische Aktivität beim Abbau von PET. Der Titel der Arbeit lautet “Catalytic Degradation of Polyethylene Terephthalate Using a Phase-Transitional Zirconium-Based Metal-Organic Framework.”

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