Kreislauf geschlossen

Weniger als 10 % der weltweit produzierten Kunststoffe werden recycelt. Bis 2025 wird die Menge an Kunststoffabfällen voraussichtlich 40 Mrd. Tonnen erreichen. Etwa 33 % des weltweit auf Deponien gelagerten Materials besteht aus Polystyrol (PS) – welches sogar nur zu 1 % recycelt wird. Die weltweite Produktionskapazität von Polystyrol erreichte im Jahr 2022 mehr als 15,4 Mio. Tonnen, Tendenz steigend.

Das Recycling von Kunststoffen, insbesondere von Polystyrol, zählt damit zu den grossen gesellschaftlichen Herausforderungen. Effektive, kosteneffiziente Recycling-Methoden, bei denen Kunststoff-Abfälle zu kleinen Molekülen abgebaut und sich erneut in chemischen Synthesen einsetzen lassen, sind ein Schritt in Richtung einer nachhaltigen Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft.

Eisen-basierter Katalysator

Das Team um Prof. Dr. Lutz Ackermann vom Friedrich-Wöhler-Forschungsinstitut für Nachhaltige Chemie in Göttingen hat eine elektrokatalytische Methode entwickelt, bei der Polystyrole effizient abgebaut werden. Beim Abbau entsteht ein vergleichsweise hoher Anteil an monomeren Benzoyl-Produkten, die sich als chemische Ausgangsstoffe verwenden lassen, 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.

Effizienz bereits erwiesen

Benzoesäure kann als Ausgangsstoff für verschiedene chemische Synthesen dienen, zum Beispiel 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.