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Die Forscher von der University of Cambridge haben das System entwickelt, das zwei Abfallströme gleichzeitig in zwei chemische Produkte umwandeln kann - das ist das erste Mal, dass dies in einem solarbetriebenen Reaktor gelungen ist. Der Reaktor wandelt Kohlendioxid (CO2) und Kunststoffe in verschiedene Produkte um, die in einer Reihe von Branchen nützlich sind. In Tests wurde CO2 in Synthesegas umgewandelt, einen wichtigen Baustein für nachhaltige flüssige Kraftstoffe, und Kunststoffflaschen wurden in Glykolsäure umgewandelt, die in der Kosmetikindustrie häufig verwendet wird. Das System kann leicht auf die Herstellung verschiedener Produkte abgestimmt werden, indem die Art des im Reaktor verwendeten Katalysators geändert wird. Die Umwandlung von Kunststoffen und Treibhausgasen - zwei der grössten Bedrohungen für die Natur - in nützliche und wertvolle Produkte mit Hilfe von Sonnenenergie ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Kreislaufwirtschaft. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature Synthesis veröffentlicht.
Solarbetriebenes Recycling ist vielversprechend
"Die Umwandlung von Abfall in etwas Nützliches mit Hilfe von Solarenergie ist ein wichtiges Ziel unserer Forschung", sagte Professor Erwin Reisner vom Yusuf Hamied Department of Chemistry, der Hauptautor der Studie. "Die Plastikverschmutzung ist weltweit ein grosses Problem, und oft werden viele der Kunststoffe, die wir in die Recyclingtonne werfen, verbrannt oder landen auf der Mülldeponie". Reisner leitet auch das Cambridge Circular Plastics Centre (CirPlas), das sich zum Ziel gesetzt hat, Plastikmüll zu vermeiden, indem es visionäres Denken mit praktischen Massnahmen verbindet.
Andere solarbetriebene "Recycling"-Technologien sind vielversprechend, um die Plastikverschmutzung zu bekämpfen und die Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre zu reduzieren, aber bisher wurden sie noch nicht in einem einzigen Prozess kombiniert. "Eine solarbetriebene Technologie, die gleichzeitig die Plastikverschmutzung und die Treibhausgase bekämpft, könnte die Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft entscheidend vorantreiben", so Subhajit Bhattacharjee, Mitautor der Studie. "Wir brauchen auch etwas, das sich einstellen lässt, so dass man je nach gewünschtem Endprodukt leicht Änderungen vornehmen kann", sagte Dr. Motiar Rahaman, Mitautor der Studie.
Effizienter Doppelreaktor
Die Forscher entwickelten einen integrierten Reaktor mit zwei getrennten Kammern: eine für Kunststoff und eine für Treibhausgase. Der Reaktor verwendet einen Lichtabsorber auf der Basis von Perowskit - eine vielversprechende Alternative zu Silizium für Solarzellen der nächsten Generation. Das Team entwickelte verschiedene Katalysatoren, die in den Lichtabsorber integriert wurden. Durch den Wechsel des Katalysators konnten die Forscher dann das Endprodukt verändern. Tests des Reaktors unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen zeigten, dass der Reaktor PET-Plastikflaschen undCO2 effizient in verschiedene kohlenstoffbasierte Brennstoffe wie CO, Synthesegas oder Formiat sowie Glykolsäure umwandeln kann. Der in Cambridge entwickelte Reaktor produzierte diese Produkte mit einer Rate, die auch viel höher ist als bei herkömmlichen photokatalytischen CO2-Reduktionsverfahren.
"Normalerweise erfordert die CO2-Umwandlung viel Energie, aber bei unserem System genügt es, es mit Licht zu bestrahlen, und es beginnt, schädliche Produkte in etwas Nützliches und Nachhaltiges umzuwandeln", so Rahaman. "Vor diesem System gab es nichts, mit dem man selektiv und effizient hochwertige Produkte herstellen konnte. "Das Besondere an diesem System ist seine Vielseitigkeit und Einstellbarkeit - im Moment stellen wir relativ einfache Moleküle auf Kohlenstoffbasis her, aber in Zukunft könnten wir das System so einstellen, dass wir weitaus komplexere Produkte herstellen können, indem wir einfach den Katalysator ändern", so Bhattacharjee.
Unterstützung aus der EU
Reisner hat vor kurzem neue Mittel vom Europäischen Forschungsrat erhalten, um die Entwicklung ihres solarbetriebenen Reaktors zu unterstützen. In den nächsten fünf Jahren wollen sie den Reaktor weiterentwickeln, um komplexere Moleküle herzustellen. Den Forschern zufolge könnten ähnliche Techniken eines Tages zur Entwicklung einer vollständig solarbetriebenen Recyclinganlage verwendet werden. "Die Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft, in der wir aus Abfällen nützliche Dinge herstellen, anstatt sie zu deponieren, ist von entscheidender Bedeutung, wenn wir die Klimakrise sinnvoll angehen und die Natur schützen wollen", so Reisner. "Und diese Lösungen mit Hilfe der Sonne zu betreiben, bedeutet, dass wir dies auf saubere und nachhaltige Weise tun.
Literatur
Bhattacharjee, S., Rahaman, M., Andrei, V. et al. Photoelectrochemical CO2-to-fuel conversion with simultaneous plastic reforming. Nat. Synth (2023)