Пластик является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Однако огромное количество пластиковых отходов, которые накапливаются на свалках и в окружающей среде, представляет собой такую же серьезную проблему, как и полезный пластик. В журнале Angewandte Chemie немецкая исследовательская группа представила новый метод переработки отходов полистирола. Их эффективный электрохимический процесс использует недорогой катализатор на основе железа, производит водород как побочный продукт и может питаться от солнечных панелей.
Менее 10% пластика, производимого в мире, перерабатывается. Пластиковые отходы накапливаются на свалках и в водных путях, угрожая дикой природе и окружающей среде. Прогнозируется, что к 2025 году объем накопленного пластика достигнет 40 миллиардов тонн. Во всем мире около 33% материала, оседающего на свалках, составляют отходы полистирола (PS), который широко используется в упаковке и строительстве. Лишь около 1% полистирола перерабатывается. Мировая производственная мощность полистирола достигла 15,4 миллиона тонн в 2022 году и продолжает расти. Переработка пластика, в частности полистирола, является одной из крупнейших социальных проблем нашего времени. Эффективные, экономически выгодные методы переработки, превращающие пластиковые отходы в ценные малые молекулы, которые могут быть использованы в химическом синтезе, являются шагом к устойчивому углеродному циклу.
Команда под руководством Лутца Акермана из Научно-исследовательского института устойчивой химии имени Фридриха Велер в Геттингене (Германия) разработала электрокаталитический метод для эффективного разложения полистирола. В результате деградации образуется значительная доля мономерных бензойных продуктов, которые могут быть использованы как исходные материалы для химических процессов, а также некоторые короткие полимерные цепи.
Залогом этого успеха является мощный катализатор на основе железа — комплекс порфирина железа, напоминающий гемоглобин. Его преимущество перед многими другими каталитически активными металлами состоит в том, что железо нетоксично, недорого и легко доступно. Во время электрокаталитической реакции соединение железа циклично переключается между различными стадиями окисления (IV, III и II). Разные этапы реакции и промежуточные продукты в конечном итоге приводят к расщеплению углеродно-углеродных связей в полимерной основе. Основными продуктами являются бензойная кислота и бензальдегид. Бензойная кислота — это исходный материал для многих химических синтезов, в том числе для производства ароматизаторов и консервантов. Надежность этого нового электрокатализа была продемонстрирована эффективным разложением реальных пластиковых отходов в лабораторных условиях (на масштабе граммов).
Этот процесс разложения полистирола может полностью питаться электроэнергией от коммерчески доступных солнечных панелей. Кроме того, в процессе деградации образуется полезный побочный продукт — водород. Таким образом, новый электрокаталитический процесс, который можно легко масштабировать до промышленного уровня, сочетает эффективную переработку пластика с децентрализованным производством зеленого водорода.