Elektrokataliza na bazie żelaza ulega rozkładowi polistyren jednocześnie wytwarzając ekologiczny wodór.
Tworzywa sztuczne stały się integralną częścią naszego codziennego życia, jednak ogromne nagromadzenie odpadów z tworzyw sztucznych na wysypiskach śmieci i w środowisku naturalnym stwarza poważne wyzwania. O tym niedawno w czasopiśmie poinformował niemiecki zespół badawczy Angewandte Chemie nowatorska metoda recyklingu odpadów styropianowych. Ich wydajny proces elektrochemiczny, wykorzystujący niedrogie katalizatory żelazne, generuje wodór jako produkt uboczny i może być zasilany energią słoneczną.
Mniej niż 10% plastiku produkowanego na świecie jest poddawane recyklingowi. Odpady z tworzyw sztucznych gromadzą się na wysypiskach śmieci i w drogach wodnych, zagrażając dzikiej przyrodzie i środowisku. Przewiduje się, że do 2025 r. ta sterta plastiku osiągnie 40 miliardów ton. Na całym świecie około 33% materiałów składowanych na wysypiskach składa się z polistyrenu (PS), który jest szeroko stosowany w opakowaniach i budownictwie. Tylko około 1% polistyrenu poddaje się recyklingowi.
Światowe moce produkcyjne styropianu osiągnęły w 2022 roku 15,4 mln ton i nadal rosną. Recykling tworzyw sztucznych, zwłaszcza polistyrenu, jest jednym z największych wyzwań społecznych naszych czasów. Wydajne i opłacalne metody recyklingu, które przekształcają odpady z tworzyw sztucznych w cenne małe cząsteczki, które można wykorzystać w syntezach chemicznych, byłyby krokiem w kierunku zrównoważonej gospodarki węglowej o obiegu zamkniętym.
Przełom w degradacji polistyrenu
Zespół kierowany przez Lutza Ackermanna z Instytutu Badawczego Zrównoważonej Chemii im. Friedricha Wöhlera w Getyndze (Niemcy) opracował obecnie metodę elektrokatalityczną skuteczną degradację polistyrenów. W wyniku degradacji powstaje stosunkowo duża frakcja monomerycznych produktów benzoilowych, które można zastosować jako materiały wyjściowe w procesach chemicznych, a także niektóre krótkie łańcuchy polimerowe.
Kluczem do tego sukcesu jest silny katalizator na bazie żelaza, kompleks żelaza i porfiryny przypominający hemoglobinę. Jego przewaga nad wieloma innymi katalitycznie aktywnymi metalami polega na tym, że żelazo jest nietoksyczne, niedrogie i łatwe do uzyskania. Podczas reakcji elektrokatalitycznej związek żelaza przechodzi pomiędzy różnymi etapami utleniania (IV, III i II). Szereg etapów reakcji i produktów pośrednich ostatecznie powoduje rozszczepienie wiązań węgiel-węgiel w szkielecie polimeru. Głównymi produktami są benzoesy kwas i benzaldehyd. Kwas benzoesowy jest materiałem wyjściowym do różnych syntez chemicznych, na przykład do produkcji substancji zapachowych i konserwantów. Wytrzymałość tej nowatorskiej elektrokatalizy została wykazana poprzez skuteczną degradację rzeczywistych odpadów z tworzyw sztucznych w skali gramowej.
Ten proces degradacji polistyrenu mógłby być w pełni zasilany energią elektryczną z dostępnych na rynku paneli słonecznych. Ponadto podczas procesu degradacji zachodzi przydatna reakcja uboczna: produkcja wodoru. W ten sposób nowy proces elektrokatalityczny, który można łatwo skalować do poziomu przemysłowego, łączy wydajny recykling tworzyw sztucznych ze zdecentralizowaną, ekologiczną produkcją wodoru.
Odniesienie: „Anodic Commodity Polymer Recycling: The Merger of Iron-Electrocatalisis with Scalable Hydrogen Evolution Reaction”, autorzy: Maxime Hourtoule, Sven Trienes i Lutz Ackermann, 10 września 2024 r., Wydanie międzynarodowe Angewandte Chemie.
DOI: 10.1002/anie.202412689
Finansowanie: Werner Siemens-Stiftung, Europejska Rada ds. Badań HORIZON EUROPE
