Kürzlich erzielte ein Team um Forscher Han Buxing vom Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bedeutende Fortschritte beim Recycling von Polyethylen zu Ethylen und Propylen. Ihre Ergebnisse mit dem Titel „Closed-loop recycling of polyethylene to ethylene and propylene via a kinetic decoupling–recoupling strategy“ wurden am 14. Oktober 2025 in der Fachzeitschrift Nature Chemical Engineering veröffentlicht.

Polyolefin-Kunststoffe, insbesondere Polyethylen (PE), sind in der Umwelt schwer abbaubar und tragen so zur Plastikverschmutzung bei. Chemisches Recycling ist ein effektiver Ansatz zur Bekämpfung von Kunststoffabfällen, insbesondere durch die Umwandlung von Polyolefinen in stark nachgefragte Chemikalien wie Ethylen und Propylen, wodurch ein geschlossener Recyclingkreislauf erreicht wird. Herkömmliche katalytische Crackverfahren führen jedoch aufgrund komplexer Reaktionswege und kinetischer Verflechtungen zwischen Haupt- und Nebenprodukten zu geringen Ethylen- und Propylenausbeuten.

In Vorstudien fanden die Forscher heraus, dass LSP-Z100-Molekularsiebe mit ihrer geschichteten, selbsttragenden Struktur und starken Lewis-Acidität PE in einem Festbett-Durchflussreaktor wirksam und selektiv in Olefine umwandeln können. Die Produkte waren jedoch hauptsächlich C4/C5-Olefine und die Ausbeute der Zielprodukte Ethylen und Propylen war sehr gering (5 %). Das Hinzufügen einer Schicht aus phosphormodifiziertem P-HZSM-5-Molekularsieb unter dem LSP-Z100-Molekularsieb und die Manipulation der Reaktionstemperatur zum weiteren Cracken des PE konnten die Ethylen- und Propylenausbeute nicht signifikant verbessern. Um dieses Problem zu lösen, schlugen die Forscher eine innovative Strategie zur kinetischen Entkopplung und Wiederkopplung (KDRC) vor. Diese Strategie teilt den PE-Umwandlungsprozess in zwei unabhängige Reaktionsphasen auf und optimiert jede unabhängig voneinander. In Reaktionsphase I crackt das LSP-Z100-Molekularsieb PE effizient unter milden Bedingungen bei 260 °C und erzeugt Zwischenprodukte, die hauptsächlich aus C4/C5-Olefinen bestehen. In der zweiten Stufe werden diese Zwischenprodukte in die Reaktionsstufe II eingespeist, wo sie anschließend über einem P-HZSM-5-Molekularsiebkatalysator bei 540 °C zu den Zielprodukten Ethylen und Propylen umgesetzt werden.
Die Forscher gehen davon aus, dass die in der ersten Stufe gebildeten C4/C5-Zwischenprodukte eine zentrale Rolle im kinetischen Modell spielen und zwei konkurrierende Reaktionswege aufweisen: Einerseits die selektive Bildung der Zielprodukte Ethylen und Propylen durch Dimerisierung-β-Spaltung, andererseits die Bildung von Nebenprodukten aus Alkanen und Aromaten durch Wasserstofftransfer und Aromatisierung. Die KDRC-Strategie steuert die Konzentration der C4/C5-Zwischenprodukte durch Entkopplungs-Kopplungs-Optimierung präzise und schafft so optimale kinetische Bedingungen für die anschließende Dimerisierungs-β-Spaltungsreaktion in der zweiten Stufe. Dadurch werden die Reaktionsgeschwindigkeiten beider Stufen angeglichen (Abbildung 1) und letztendlich eine hohe Ausbeute an Ethylen und Propylen von 79 % erreicht.

Bei der Validierung und mechanistischen Aufklärung der KDRC-Strategie spielte die Synchrotron-Vakuum-Ultraviolett-Photoionisations-Massenspektrometrie (SVUV-PIMS) eine unersetzliche und entscheidende Rolle. Die sanften Ionisierungseigenschaften der SVUV-PIMS reduzieren effektiv die Molekülfragmentierung und liefern so echte Molekülioneninformationen, die für die qualitative und quantitative Analyse von Produkten in komplexen Reaktionssystemen entscheidend sind. Bei der Untersuchung der synergistischen Reaktion des PE-Crackens unter Zugabe von Buten beobachteten die Forscher mithilfe von deuteriertem PE (PE-d4) in Kombination mit SVUV-PIMS-Detektion reichlich vorhandene Wasserstoff/Deuterium-Isotopomere (H/D) (Abbildung 2). Diese Daten verdeutlichen die aktiven dynamischen intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Reaktanten und Zwischenprodukten und klären so den Wirkungsmechanismus des kinetischen Reaktionsnetzwerks auf molekularer Ebene weiter auf.

Die Forscher entwarfen weitere Experimente und beobachteten die Bildung eines C8-Zwischenprodukts im vom kinetischen Modell vorgeschlagenen Reaktionspfad (Abbildung 3). Obwohl für den theoretisch akzeptierten Reaktionsweg der Butendimerisierung mit anschließender β-Spaltung zur Bildung von Ethylen und Propylen lange Zeit direkte experimentelle Belege fehlten, insbesondere für transiente C8-Zwischenprodukte, die äußerst schwer zu erfassen sind, wurde in dieser Studie das Vorhandensein des C8H16-Zwischenprodukts mittels SVUV-PIMS direkt beobachtet. In einem temperaturprogrammierten Experiment detektierte SVUV-PIMS deutlich die Entstehung eines C8H16-Signals bei Erreichen von 300 °C, begleitet vom Auftreten von Propylen und Penten. Dieser direkte experimentelle Nachweis bestätigt den Reaktionsweg der Dimerisierung mit β-Spaltung und unterstützt die Logik der gesamten KDRC-Strategie.

In dieser Studie wurden außerdem Techniken wie die Neutronenpulverbeugung (NPD) eingesetzt, um aufzuzeigen, wie die Phosphormodifikation die räumliche Verteilung der sauren Zentren auf dem Zeolith moduliert und so bimolekulare Reaktionen unterdrückt, die zu Nebenprodukten wie Alkanen und Aromaten führen. Experimente zur Bewertung der Katalysatorstabilität und -kompatibilität mit echtem Kunststoffabfall zeigen, dass diese KDRC-Strategie vielversprechende industrielle Anwendungsaussichten bietet. Die korrespondierenden Autoren dieses Artikels sind die Forscher Han Buxing und Lin Longfei vom Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Professor Han Xue von der Pädagogischen Universität Peking und Professor Yang Sihai von der Universität Peking. Die Erstautoren sind Bi Tianrui, Doktorand am Institut für Chemie, und Dr. Chen Yinlin von der Universität Stockholm. Diese Forschung wurde an der Massenspektrometriestation (BL04B) der Synchrotronstrahlungsanlage Hefei zum Cracken von Polyethylen/deuteriertem Polyethylen und zum Nachweis von Buten-Cracking-Zwischenprodukten durchgeführt. Leitender Ingenieur Liu Chengyuan und Professor Pan Yang von der Synchrotronstrahlungsanlage Hefei leisteten wichtige technische Unterstützung und Beratung.

Link zum Artikel: https://www.nature.com/articles/s44286-025-00290-y