Bisher galt Säure in solarbetriebenen Recyclingsystemen als unbrauchbar, weil sie die Katalysatoren auflöst. Forschende um Professor Erwin Reisner vom Yusuf Hamied Department of Chemistry gelang es nun, einen Photokatalysator zu entwickeln, der den stark korrosiven Bedingungen standhält und mit alter Batteriesäure arbeitet. Das Verfahren heißt solar-powered acid photoreforming.
Der Prozess läuft in zwei Stufen ab: Zuerst löst die Batteriesäure die langen Polymerketten der Kunststoffe in chemische Bausteine auf. Anschließend wandelt der Photokatalysator diese Verbindungen unter Sonnenlicht in Wasserstoff und Essigsäure um.
Im Labor erzielte der Reaktor hohe Wasserstoffausbeuten und produzierte Essigsäure mit hoher Selektivität. Er lief über 260 Stunden ohne Leistungsverlust.
Alte Batteriesäure als ungenutzter Rohstoff
Autobatterien enthalten zwischen 20 und 40 Prozent Säure pro Volumen. Bisher wird die Säure nach der Bleigewinnung neutralisiert und entsorgt. Das Forscherteam will sie stattdessen als Reaktant nutzen und nach jedem Durchlauf wiederverwenden.
„Wenn wir die Säure vor der Neutralisierung abschöpfen, können wir sie immer wieder einsetzen, um Kunststoffe aufzuspalten“, sagt Doktorand Kay Kwarteng, der den Photokatalysator entwickelte. Das Verfahren vermeide so die Umweltkosten der Neutralisierung und erzeuge gleichzeitig sauberen Wasserstoff.
Gegenüber anderen Photoreforming-Ansätzen sehen die Forscher ein Kostensenkungspotenzial von bis zu 90 Prozent. Ausschlaggebend sind höhere Wasserstoffproduktionsraten sowie die Wiederverwendbarkeit der Säure.
Wasserstoffausbeute steigt mit Säuregehalt
Entscheidend für die Wasserstoffausbeute ist der pH-Wert der Lösung. Im sauren Milieu produziert das System rund zehnmal mehr Wasserstoff als unter neutralen Bedingungen und viermal mehr als im alkalischen Betrieb. Säure beschleunigt nicht nur die Hydrolyse der Kunststoffe, sondern erhöht auch die Selektivität des Katalysators für die Wasserstoffproduktion. Sie sorgt also dafür, dass bei der anschließenden Lichtreaktion gezielter Wasserstoff und weniger unerwünschte Nebenprodukte produziert werden.
Ein zentraler Leistungsindikator für Photokatalysatoren ist die apparente Quantenausbeute (AQY): Sie gibt an, wie effizient einfallende Photonen in chemische Reaktionen umgewandelt werden. Das System erreicht mit realen PET-Flaschen eine AQY von 9,0 Prozent. Das ist einer der höchsten Werte, die für ein Photoreforming-System bisher veröffentlicht wurden. Bestehende CNx-basierte Katalysatoren unter alkalischen Bedingungen bleiben deutlich darunter. Nur UV-betriebene Systeme mit Platin als Co-Katalysator übertreffen das neue System.
Die techno-ökonomische Analyse zeigt: In einem hybriden PV-LED-Betrieb, der 24-Stunden-Betrieb ermöglicht, liegen die modellierten Wasserstoffgestehungskosten unter idealisierten Bedingungen bei 4,10 Pfund pro Kilogramm (umgerechnet rund 4,80 Euro pro Kilogramm). Sobald die Erlöse aus den Nebenprodukten Terephthalsäure, Essigsäure und Ameisensäure eingerechnet werden, wird die Wasserstoffproduktion in allen modellierten Szenarien profitabel.
Verfahren deckt Kunststofftypen ab, die bisher kaum recycelbar sind
Das Verfahren funktioniert nicht nur mit PET, sondern auch mit Nylon und Polyurethan. Für diese Materialien gab es bislang kaum wirtschaftliche Recyclingwege. Damit erweitert es den Anwendungsbereich gegenüber bestehenden Upcycling-Technologien.
In einer begleitenden Studie zeigen die Forscher zusätzlich, dass das System organische Verbindungen, sogenannte Amine, produzieren kann. Amine finden in der Pharmaindustrie, der Landwirtschaft und der chemischen Industrie breite Verwendung.
Offene Fragen
Offen bleibt die Frage der Skalierbarkeit. „Die Grundlagenchemie ist solide“, sagt Kwarteng. „Jetzt geht es um das Engineering: Wie bauen wir Reaktoren, die kontinuierlich laufen und realen Abfall verarbeiten können?“
Das Team plant, das Verfahren mit Unterstützung von Cambridge Enterprise, dem Innovationsarm der Universität, sowie mit Mitteln des UKRI Impact Acceleration Account zu kommerzialisieren. Das Forschungsvorhaben erhielt Förderung unter anderem von der Royal Academy of Engineering, dem Leverhulme Trust und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).
Das Verfahren soll das konventionelle Recycling nicht ersetzen, sondern ergänzen. Es richtet sich insbesondere an verunreinigte oder gemischte Kunststoffe, für die es derzeit keinen wirtschaftlichen Verwertungsweg gibt.
Die Ergebnisse des Hauptversuchs sind im Fachjournal Joule veröffentlicht.
