Sonnenlicht als Antrieb: Neues Verfahren gewinnt Wasserstoff aus Plastikmüll
Jedes Jahr werden weltweit rund 450 Millionen Tonnen Plastik produziert – ein Vielfaches dessen, was vor sieben Jahrzehnten hergestellt wurde. Der überwiegende Teil landet auf Deponien oder wird verbrannt, nur ein kleiner Bruchteil wird tatsächlich recycelt. Vor diesem Hintergrund präsentiert ein Forschungsteam der University of Cambridge eine ungewöhnliche Methode, die gleich mehrere Abfallprobleme miteinander verknüpft: die gleichzeitige Verwertung von Kunststoffabfällen und der Schwefelsäure aus ausgedienten Autobatterien zur Erzeugung von sauberem Wasserstoff.
Ein Katalysator, der Säure aushält
Das zentrale Problem bisheriger chemischer Recyclingverfahren mit Lichtenergie war die Unverträglichkeit mit sauren Umgebungen. Photokatalysatoren, also Stoffe, die mithilfe von Licht chemische Reaktionen antreiben, werden durch starke Säuren in der Regel zerstört. Das Forschungsteam um Erwin Reisner entwickelte nun ein Pulver, das aus drei Komponenten besteht: Kohlenstoffnitrid, einem gelblichen Stoff, der sichtbares Licht gut absorbiert; Molybdändisulfid, bekannt aus der Schmiermitteltechnik; sowie geringen Mengen Kobalt, das als eine Art Verstärker wirkt und den Wasserstoffertrag verdreifacht. Wie Reisner beschreibt, war der Durchbruch kaum geplant: „Die Entdeckung war fast zufällig. Wir glaubten früher, dass Säure in solchen solarbetriebenen Systemen völlig tabu ist, weil sie alles auflösen würde. Aber unser entwickelter Katalysator tat es nicht – und plötzlich eröffnete sich eine ganz neue Welt von Reaktionen.“
Der Prozess: Von PET-Flasche zu Wasserstoff
Im Reaktor läuft das Verfahren in zwei Stufen ab. Zunächst wird das PET-Plastik – der Stoff, aus dem gewöhnliche Getränkeflaschen bestehen – mithilfe der aus Altbatterien gewonnenen Schwefelsäure hydrolysiert. Dabei werden die langen Molekülketten des Kunststoffs an ihren chemischen Verbindungsstellen aufgespalten. Es entstehen zwei Produkte: Terephthalsäure, ein Feststoff, der sich leicht aus der Lösung abscheiden lässt, sowie Ethylenglykol, das als Hauptbestandteil von Frostschutzmitteln bekannt ist. Im zweiten Schritt wird der neue Katalysator in diese saure Flüssigkeit eingebracht. Unter Sonnenlicht – im Labor durch LEDs simuliert – wandelt er das Ethylenglykol in Wasserstoff und Essigsäure um. In Tests lief der Reaktor 260 Stunden lang ohne Leistungsverlust. Die Schwefelsäure aus Altbatterien, die normalerweise aufwändig neutralisiert werden muss, bevor die Batterien entsorgt werden können, fungiert dabei als Rohstoff statt als Problem. Kay Kwarteng, Doktorand in Reisners Gruppe und Erstautor der Studie, bringt es auf den Punkt: „Es ist eine ungenutzte Ressource. Wenn wir die Säure abschöpfen können, bevor sie neutralisiert wird, können wir sie immer wieder verwenden, um Plastik aufzuschließen.“
Wirtschaftlichkeit durch Nebenprodukte
Die im Fachjournal Joule veröffentlichte Studie enthält auch eine wirtschaftliche Modellrechnung. Eine kommerzielle Anlage könnte demnach täglich rund drei Tonnen PET-Plastik verarbeiten und dabei neben knapp zehn Kilogramm Wasserstoff auch erhebliche Mengen Terephthalsäure, Essigsäure und Ethylenglykol als vermarktbare Koprodukte gewinnen. Der Wasserstoffanteil allein wäre wirtschaftlich kaum tragfähig, doch die Kombination aller Produkte verspricht Profitabilität. Die Anlaufkosten über zwanzig Jahre werden auf rund 7,3 Millionen britische Pfund geschätzt, die durch den Verkauf der Nebenprodukte gedeckt werden könnten. Eine kommerzielle Umsetzung wird derzeit mit Unterstützung von Cambridge Enterprise, dem Innovationszweig der Universität, angestrebt. Das Verfahren löst nicht das gesamte globale Plastikrecyclingproblem, zeigt aber, wie aus mehreren Abfallströmen gleichzeitig nutzbares Material entstehen kann.
