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Was wäre, wenn der Lebenszyklus einer Plastikflasche kreisförmig wäre? Wenn eine gebrauchte Plastikflasche wieder in ihre ursprünglichen Bestandteile zerlegt und zu einer neuen Plastikflasche verarbeitet werden könnte, anstatt auf einer Mülldeponie zu landen?
Ein Forschungsteam der Northwestern University hat als erstes gezeigt, dass ein Material namens metallorganisches Gerüst (metal-organic framework, MOF) ein stabiler und selektiver Katalysator für die Zerlegung von Kunststoffen auf Polyesterbasis in seine Bestandteile ist.
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.
"Wir können bei der Herstellung von Plastikflaschen viel besser vorgehen als bei Null anzufangen", sagte 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 einen 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 einfachsten zu handhaben 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.
MOFs früher gegen Nervenkampfstoffe eingesetzt
MOFs, eine Klasse von Materialien in Nanogrösse, wurden aufgrund ihrer hoch geordneten Strukturen umfassend untersucht. 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, auch wenn die Reaktionen und Mechanismen anders 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.
Mehr über MOFs
MOFs bestehen aus organischen Molekülen und Metallionen oder Clustern, die sich selbst zu mehrdimensionalen, hochkristallinen, porösen Gerüsten zusammenfügen. Um sich die Struktur eines MOF vorzustellen, so Farha, stelle man sich ein Set von Bastelmaterialien vor, bei dem die Metallionen oder -cluster die kreisförmigen oder quadratischen Knoten und die organischen Moleküle die Stäbe sind, 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 hohe katalytische Aktivität beim PET-Abbau.
Originalveröffentlichung
- Yufang Wu et al.; Catalytic Degradation of Polyethylene Terephthalate Using a Phase-Transitional Zirconium-Based Metal-Organic Framework; Angewandte Chemie; 2022