Polyethylenterephthalat (PET) ist einer der verbreitetesten Kunststoffe. Ausgedientes PET landet bisher meist auf Mülldeponien oder in der Umwelt, die Recyclingrate ist immer noch sehr niedrig. In der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet ein Forschungsteam jetzt von einer Zirkonium-basierten metallorganischen Gerüstsubstanz, die einen Abbau von PET in seine Monomere katalysiert. Diese können erneut zu hochwertigem PET verarbeitet werden, sodass eine Kreislaufwirtschaft aufgebaut werden könnte.
Fast 70 Millionen Tonnen PET werden jährlich hergestellt und zu Produkten wie Fasern, Getränkeflaschen und Lebensmittelverpackungen verarbeitet. Obwohl PET eingeschmolzen und wiederverwendet werden kann, mindern die nötigen hohen Temperaturen die Qualität der Rezyklate, sodass diese Strategie auf wenige Zyklen limitiert ist. Eine chemische Dekonstruktion des PET in seine Monomere würde Ausgangsstoffe für die erneute Herstellung qualitativ hochwertiger PET-Produkte liefern, benötigt jedoch grosse Mengen an Lösungsmitteln und Reagenzien, hohe Drücke sowie eine aufwendige Abtrennung störender Nebenprodukte. Beimischungen und gefärbte Produkte können zudem Schwierigkeiten bereiten. Die Alternative wären katalytische Verfahren.
Das Team um Omar K. Farha von der Northwestern University (Evanston, USA) berichtet jetzt über einen Katalysator, der PET-Abfälle bei 260°C in Ausbeuten bis zu 98% in die Bausteine Terephthalsäure (TA) und Monomethylterephthalat (MMT) spaltet. Der Katalysator gehört zur Klasse der Metall-organischen Gerüste (Metal-Organic Frameworks, MOFs), hochgeordneten, porösen Strukturen aus Metallen als Knotenpunkten und organischen Molekülen als Brücken. Die Wahl fiel auf UiO-66, ein bekanntes, auch im technischen Massstab leicht herstellbares Zirkonium-basiertes MOF (Zr-MOF). UiO-66 enthält Knotenpunkte aus Clustern mit sechs Zirkoniumatomen, die über sechs Terephthalsäure-Moleküle verbrückt sind.
Ausgiebige Strukturanalysen ergaben, dass UiO-66 während des PET-Abbaus erstaunlicherweise in ein andere Form gleicher Zusammensetzung umgewandelt wird: MIL-140A, ein Gerüst aus siebenfach koordinierten Zirkoniumoxid-Ketten, die über Terephthalsäure-Brücken mit je sechs anderen Ketten verbunden sind. Die katalytische Aktivität nimmt durch die Umwandlung nur geringfügig ab.
Detaillierte mechanistische Studien sprechen für eine β-Spaltung als hauptsächlichem Weg für die PET-Dekonstruktion, eine Reaktion, die auch bei der Thermolyse eine wichtige Rolle spielt, in Anwesenheit des Katalysators aber bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen läuft. In Anwesenheit von Wasserstoff findet zusätzlich eine Hydrogenolyse statt. Weder die Zumischung von Polyethylen oder Polypropylen noch eine Einfärbung des PET störten den Abbauprozess.
Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial etablierter MOFs als neuer Klasse Polymer-abbauender Katalysatoren, lang bestehende Herausforderungen im Zusammenhang mit Kunststoffabfällen zu meistern.
Literatur
- Yufang Wu et al.; Catalytic Degradation of Polyethylene Terephthalate Using a Phase-Transitional Zirconium-Based Metal–Organic Framework; Angewandte Chemie International Edition; 2022