de.wedoany.com-Bericht: Am frühen Morgen des 16. Juli (Pekinger Zeit) veröffentlichte das Team von Professor Wang Yong von der Zhejiang-Universität gemeinsam mit internationalen Hochschulen wie der Cardiff University, der Universität Tokio, der Zhejiang University of Technology und der China Jiliang University in der internationalen Fachzeitschrift „Nature“ eine Studie über eine völlig neue Technologie zum Kunststoffabbau, die die technischen Grenzen der herkömmlichen Altkunststoffverwertung endgültig durchbricht.

Das Forschungsteam überwand die Abhängigkeit der herkömmlichen Kunststoffverwertung von hohen Temperaturen, hohem Druck und komplexen Chemikalien. Es nutzte lediglich Wasser und Sauerstoff – die beiden in der Natur am häufigsten vorkommenden und kostengünstigsten Substanzen – als Reaktionsmedien, um unter milden Bedingungen Altpolyethylen, Altpolypropylen und sogar Altreifen effizient in hochwertige organische Säuren umzuwandeln. Damit eröffnet sich ein völlig neuer Weg zur Veredelung von Kunststoffabfällen.

Derzeit werden weltweit jährlich über 400 Millionen Tonnen Kunststoff produziert. Große Mengen an Kunststoffabfällen gelangen durch Deponierung, Verbrennung und achtloses Wegwerfen in den Boden und die Ozeane, wo sie kontinuierlich Mikroplastik erzeugen und langfristige ökologische Verschmutzungsprobleme verursachen. Die derzeitigen chemischen Recyclingverfahren können nur etwa 9 % der Kunststoffabfälle verarbeiten und weisen zudem offensichtliche Mängel auf: Die meisten sind auf teure Edelmetallkatalysatoren angewiesen, die Reaktionen erfordern hohe Temperaturen und hohen Druck, was nicht nur zu hohem Energieverbrauch und hohen Behandlungskosten führt, sondern die Katalysatoren auch schnell unwirksam werden lässt, was eine großflächige Umsetzung erschwert.

Derzeit konzentriert sich die wissenschaftliche Forschung in der Branche hauptsächlich auf die Entwicklung leistungsfähigerer Katalysatormaterialien.

„Anfangs verfolgten wir bei der Erforschung des Kunststoffabbaus denselben Ansatz wie die meisten Kollegen – die Entwicklung leistungsfähigerer Katalysatoren“, erinnert sich Wang Yong.

Ein gewöhnlicher Kontrollversuch änderte jedoch die Forschungsrichtung des Teams grundlegend. Der Doktorand Gao Ruiliang richtete in einem routinemäßigen Abbauversuch eine katalysatorfreie Blindprobe ein. Nach allgemeiner Erwartung sollte in dieser Gruppe keine Reaktion stattfinden, doch die Versuchsdaten zeigten einen deutlichen Abbau des stabilen Polyethylens.

„Wir dachten zunächst an einen Bedienungsfehler oder dass Spuren von Katalysator im Reaktor zurückgeblieben sein könnten“, erklärt Wang Yong. Daraufhin führte das Team Dutzende von kreuzweisen Wiederholungsversuchen durch, bei denen das Phänomen des Kunststoffabbaus stets stabil reproduziert werden konnte. Die Wissenschaftler bestätigten schließlich, dass der Kunststoff auch ohne Zugabe eines Katalysators abgebaut werden kann.

Professor Wang Yong bemerkte, dass viele bahnbrechende wissenschaftliche Durchbrüche auf anomale Versuchsdaten zurückgehen. Wenn man die anomalen Ergebnisse einfach als Versuchsfehler abtue, verpasse man die Chance, völlig neue wissenschaftliche Gesetzmäßigkeiten zu entdecken.

Diese Entdeckung sprengte den ursprünglichen Forschungsrahmen des Teams und verlagerte den Schwerpunkt von der „Entwicklung effizienterer Katalysatoren“ hin zu der völlig neuen wissenschaftlichen Frage: „Warum kann Kunststoff auch ohne Katalysator abgebaut werden?“.

Anschließend ergründete das Team den zugrunde liegenden Reaktionsmechanismus und identifizierte den entscheidenden Kern des Abbauphänomens – die Grenzfläche winziger Tröpfchen.

Wenn Altkunststoff zusammen mit Wasser und Sauerstoff erhitzt wird, wird der geschmolzene Kunststoff durch Rühren in unzählige Mikrometer große Öltröpfchen dispergiert, wodurch ein stabiles „Öl-in-Wasser“-Mikrotröpfchensystem entsteht. Die Forschung ergab, dass an den Grenzflächen dieser scheinbar gewöhnlichen Tröpfchen aufgrund der Asymmetrie der Molekülanordnung an der Grenzfläche spontan ein starkes lokales elektrisches Feld entsteht. Diese spezielle Grenzflächenumgebung kann die Aktivierung von Wassermolekülen fördern und in situ Hydroxylradikale (•OH) mit extrem starker Oxidationsfähigkeit erzeugen.

Diese Hydroxylradikale wirken wie präzise „molekulare Scheren“, die nach und nach die stabilen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Langketten in Kunststoffen wie Polyethylen und Polypropylen durchtrennen und die ursprünglich schwer abbaubaren Hochpolymerwerkstoffe gezielt in hochwertige Chemikalien wie kurzkettige Dicarbonsäuren umwandeln können.

„Der gesamte Prozess erfordert keinen Katalysator, sondern lediglich Wasser und Sauerstoff, und ermöglicht die vollständige Umwandlung von Polyethylen unter milden Bedingungen bei etwas über 100 Grad Celsius“, so Wang Yong. Noch wichtiger sei, dass nach der Reaktion keine Mikroplastikrückstände entstehen, was einen wirklich vollständigen Abbau und eine hochwertige Nutzung ermöglicht.

Diese Entdeckung erweitert nicht nur das Verständnis des oxidativen Abbau-Mechanismus von Kunststoffen, sondern eröffnet auch eine neue technologische Route für die Kunststoffrecyclingindustrie. Altkunststoffe, die bisher einen geringen Wert und hohe Behandlungskosten aufwiesen, könnten so direkt in hochwertige chemische Rohstoffe umgewandelt werden, was eine Transformation von einer Umweltbelastung zu einer Ressource darstellt.