Weltweit belasten große Mengen an Plastikmüll die Umwelt. Zugleich steigt der Bedarf an nachhaltig und klimaschonend erzeugtem Wasserstoff, der unter anderem in der Industrie und als Energieträger zum Einsatz kommen kann. Ein Team um Ariffin Bin Mohamad Annuar von der University of Cambridge in Großbritannien möchte beide Probleme zugleich angehen: „Die Umwandlung von Abfallströmen in wertvolle Produkte unter Verwendung sauberer Energiequellen ist eine attraktive Strategie, um sowohl Energie- als auch Umweltprobleme anzugehen“, schreiben die Forschenden.
Schon seit Jahren tüftelt das Team an Ansätzen, um Plastikmüll und andere Abfälle mit Hilfe der Sonne in nützliche Chemikalien zu zerlegen. Doch diese sogenannte photokatalytische Reformierung erforderte bislang meist hohe Temperaturen, aggressive Chemikalien oder komplizierte Herstellungsprozesse. Was im Labormaßstab funktionierte, ließ sich kaum auf größere Maßstäbe übertragen.
Skalierbarer Ansatz
„Um wirklich zu verändern, wie wir mit den beiden Problemen der Plastikverschmutzung und der Erzeugung sauberer Energie umgehen, müssen wir ein gut skalierbares Verfahren zur Herstellung dieser Photokatalysator-Materialien und Reaktoren entwickeln – und zeigen, dass sie im Freien tatsächlich funktionieren“, sagt Annuars Kollege Erwin Reisner. Genau das ist den Forschenden nun gelungen. Mit ihrem neu entwickelten Verfahren lassen sich Solarreaktoren bei Raumtemperatur ohne Spezialausrüstung herstellen, und zwar in fast beliebig großem Maßstab.
Anders als Photovoltaik-Anlagen erzeugt der neu entwickelte Solarreaktor keinen Strom, sondern nutzt die Energie der Sonne direkt, um eine chemische Reaktion anzutreiben: die Abspaltung von Wasserstoff aus dem Plastikmüll. Erforderlich sind dafür lichtabsorbierende Moleküle sowie Katalysatoren, die die Reaktion antreiben. Annuar und sein Team haben eine Möglichkeit gefunden, diese Komponenten mit einem simplen Sprühgerät auf Glasplatten aufzutragen – zunächst die lichtaktive Schicht, dann die Katalysator-Schicht, die unter anderem aus Kobalt und Zirkonium besteht.
Für den Praxistest baute das Team einen ein Quadratmeter großen Reaktor, bestehend aus vier beschichten Katalysator-Platten, die sie nebeneinander in einen flachen Behälter mit einer Lösung aus Abfällen legten und vor dem Chemiegebäude in Cambridge in die Sonne stellten. „Ich war überrascht, wie einfach das Ganze nach all den Optimierungen ist“, sagte Mohamad Annuar. „Wir haben einfach diese riesige Platte, sprühen unseren Katalysator darauf, tauchen sie in unsere Lösung, stellen sie in die Sonne, und schon produziert sie Wasserstoff und andere wertvolle Chemikalien – und das nur aus Plastikmüll. Es ist einfach und skalierbar.“
Der vom Forschungsteam entwickelte Reaktor nutzt Sonnenlicht, um aus Abfällen Wasserstoff abzuspalten. — © University of Cambridge
Weitere Herausforderungen
Damit die Abfälle allerdings für die Reaktion geeignet sind, müssen sie zunächst zerkleinert und chemisch vorbereitet werden. Das gilt sowohl für Plastikabfälle wie PET-Flaschen, als auch für Biomaterialien wie Zellulose. Die Effizienz der Reaktion unterschied sich je nach Ausgangsstoff. Bei vorbehandelter Zelllulose produzierte der Reaktor auf einem Quadratmeter innerhalb von sechs Stunden 1,51 Millimol Wasserstoff. Nutzten die Forschenden statt Abfällen Glukose, waren es 5,24 Millimol. Zudem entstanden weitere chemisch nutzbare Verbindungen wie Formiat, Acetat und Glykolat. Zerkleinerte und vorbehandelte PET-Flaschen lieferten in einem Mini-Reaktor im Labor eine geringere Ausbeute als Zellulose. Im großen Freiland-Reaktor kamen sie nicht zum Einsatz.
Anhand der im Praxistest gemessenen Werte berechneten die Forschenden auch, wie teuer die Erzeugung von Wasserstoff mit diesem Verfahren wäre. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technik noch weit von einem wirtschaftlich rentablen Einsatz entfernt ist: Ein Millimol Wasserstoff aus Glukose würde 0,93 Pfund kosten (etwa 1,08 Euro). Aus anderen Quellen werden für diese Menge teils nur Bruchteile eines Cents fällig. „Durch eine großtechnische Umsetzung werden die Kosten für Wasserstoff aus dem vorliegenden System sinken“, schreiben die Autoren. Zudem würden auch die weiteren erzeugten Chemikalien zum wirtschaftlichen Ertrag beitragen.
Auf dem Weg zur kommerziellen Verwendung sind noch weitere Hürden zu meisten, unter anderem bei der Haltbarkeit und Effizienz der Reaktoren. Zumindest für das Problem der Skalierbarkeit hat die Studie jedoch eine mögliche Lösung aufgezeigt.
Quelle: Ariffin Bin Mohamad Annuar (University of Cambridge, UK) et al., Nature Chemical Engineering, doi: 10.1038/s44286-026-00406-y
