Ersatz für PET und Co? Forscher haben ein neues Verfahren zur Herstellung biobasierter Plastik-Alternativen entwickelt. Mit ihrer Methode lassen sich zum Beispiel aus Lebensmittelabfällen gewonnene Substanzen in Verbindungen überführen, die sich als Kunststoff-Bausteine eignen. Für diesen Prozess sind im Wesentlichen nur Licht und Sauerstoff nötig – sowie spezielle Nanostäbchen als Katalysatoren.
Kunststoffe wie Polyethylen (PET), Polypropylen (PP) oder Styropor stecken gefühlt in jedem zweiten Alltagsprodukt – von Verpackungen, über Kleidung bis hin zu Kosmetik. Doch diese Omnipräsenz des Plastiks ist längst zum Umweltproblem geworden: Tonnenweise Plastik schwimmt in großen Müllstrudeln im Meer herum und sogar unser Körper ist belastet. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler inzwischen nach umweltfreundlichen Alternativen zu PET und Co. Sie sollen genauso leicht und widerstandsfähig sein wie das Original, aber gleichzeitig biologisch abbaubar.
Apfelschalen als Ausgangsprodukt
Einer der in diesem Zusammenhang untersuchten Ansätze ist die Herstellung von Biokunststoff aus Abfall. So lässt sich aus bei der Lebensmittelproduktion anfallenden Resten wie Apfelschalen etwa Hydroxymethylfurfural (HMF) gewinnen – diese Verbindung entsteht bei der thermischen Zersetzung von Zuckern oder Kohlenhydraten wie Cellulose. „Die teilweise Oxidation der Hydroxygruppe des HMF-Moleküls führt zur Bildung des korrespondierenden Aldehyds, 2,5-Diformylfuran (DFF)“, erklären Dimitrios Giannakoudakis von der Aristoteles-Universität Thessaloniki und seine Kollegen.
Der Clou: Diese Substanz lässt sich als Baustein für umweltfreundliches Plastik nutzen. „Wird eine Flasche aus diesem Kunststoff in der Natur entsorgt, verrottet er dort viel schneller als konventionelle Polymere. Spätestens nach ein paar Jahren ist das Plastik verschwunden“, sagt Mitautor Juan Carlos Colmenares von der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau.
Nanokatalysatoren als Schlüssel
Bisher gab es allerdings ein Problem: Um HMF in das gewünschte DFF zu überführen, waren hohe Temperaturen und komplizierte Technik nötig. Der Prozess war daher wirtschaftlich wenig rentabel und keine echte Alternative zur Herstellung von erdölbasiertem Plastik. Genau dies haben Giannakoudakis und sein Team nun jedoch geändert. Mit ihrem neuen Verfahren lässt sich der Kunststoffbaustein kostengünstig bei niedrigen Temperaturen und unter normalem Atmosphärendruck gewinnen.
Der Schlüssel für diesen Prozess sind von den Forschern entwickelte Nanostäbchen aus Mangandioxid (MnO2), die als wirkungsvoller Katalysator für die Teiloxidation fungieren. „Diese Nanokatalysatoren sind lang und sehr dünn und ihre Struktur erhöht die Absorption von Licht“, erklärt Colmenares. Mit ihrer Hilfe lässt sich das HMF im Rahmen einer photokatalytischen Reaktion in DFF umwandeln. Dazu sind im Wesentlichen eine im UV-Bereich strahlende LED-Leuchte und der Sauerstoff aus der Luft notwendig. „Es ist eine abfallfreie Methode, die ohne die Zugabe von zusätzlichem Sauerstoff oder anderen Additiven auskommt“, betont Colmenares.
Effiziente Umwandlung
Bei ihren Experimenten konnten die Wissenschaftler zeigen, dass das Verfahren sehr effizient ist. Fast das gesamte HMF wird demnach in DFF umgewandelt. Ein weiterer Vorteil: Die für die Reaktion genutzten Nanokatalysatoren lassen sich vielfach wiederverwenden. Angesichts dieser vielversprechenden Ergebnisse will das Forscherteam seine Methode in Zukunft weiter optimieren – und bald ein Patent darauf anmelden. (Applied Catalysis B: Environmental, 2019; doi: 10.1016/j.apcatb.2019.117803)
Quelle: Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences
