De komst van kunststoffen is revolutionair geweest voor bijna alle aspecten van het menselijk leven. Het is een hele uitdaging om je een wereld voor te stellen zonder materialen op basis van polymeren. Maar de inerte aard van de meeste van deze polymeren zorgt voor een probleem: wat doe je met het afval? Weizhe Zhang, Lars Killian en Arnaud Thevenon van de Universiteit Utrecht onderzoeken in hun review de recente vooruitgang binnen het relatief nieuwe gebied van elektrochemische recycling van polymere materialen.

Het mooie van deze elektrochemische methoden is dat ze toepasbaar zouden moeten zijn op zowel huidige als toekomstige polymeren. ‘Elektronen zijn spoorloze reagentia’, zegt assistent-professor Thevenon. ‘Door hun potentiële energie aan te passen, zou je in theorie gemengd polymeerafval selectief kunnen depolymeriseren, ervan uitgaande dat de downstream zuivering van de producten niet te energie-intensief is’.

PVC

In de review bespreken de auteurs verschillende technieken en vergelijken deze met traditionele recyclingmethoden. Met elektrochemie kun je bepaalde polymeren afbreken tot hun oorspronkelijke bouwstenen, polymeren elektrochemisch functionaliseren, of gepaarde elektrokatalyse uitvoeren, waarbij je een polymeer oxideert of reduceert terwijl je het tegenovergestelde doet met een ander molecuul.

‘Door polymeren op deze manier te modificeren, kun je ze meer traditionele manieren van recycling laten ondergaan, zoals hergebruik en mechanische en chemische recycling’, zegt Zhang, postdoc in de groep van Thevenon. Thevenon voegt toe: ‘We zagen een paper waarbij onderzoekers PVC elektrochemisch recycleden. Ze ontdekten dat je het additief dat al in het materiaal aanwezig is, kunt gebruiken als redoxbemiddelaar. Normaal gesproken moet je dat toevoegen aan je reactiemengsel, maar hier gebruikten ze dus iets dat al in het afval aanwezig was.’

Specifieke functionele groepen toevoegen aan een polymeer is ook een interessante optie, vervolgt Thevenon. ‘De introductie van functionele groepen in chemisch inerte polymeren zoals polyolefinen kan ons in staat stellen om zwakke verbindingen in de polymeerketens aan te brengen zonder de eigenschappen van het materiaal te veranderen. Deze zwakke verbindingen kun je later weer gebruiken om ze te depolymeriseren tot monomeren.’

Vervangen

Hoewel de opties veelbelovend klinken, zal de elektrochemische manier de traditionele opties niet vervangen. ‘We hebben het in de review veel over de traditionele methoden, omdat de elektrochemische methode nog maar twee of drie jaar oud is’, zegt Zhang. ‘En omdat er grote verschillen kunnen zijn tussen afvalstromen, is het beter om alle technieken te combineren.’

Elektrochemische recycling zal een aanvullende methode zijn, beaamt Thevenon. ‘Ik denk dat het niet eens mogelijk is om alle kunststoffen chemisch te recyclen, dat is te energie-intensief. We moeten eerst kijken naar mechanisch hergebruik en herbestemming, en chemische recycling gebruiken als laatste redmiddel, waarbij elektrochemie een nichefunctie zal vervullen.’ Dat betekent niet dat het geen aandacht verdient, zegt Zhang. ‘Met ons artikel wilden we mensen aanmoedigen om meer elektrochemie te proberen en hen handvatten geven om mee te werken.’

De eerste stap naar bredere implicatie zou volgens Zhang zijn om de beschikbare kennis naar een hoger niveau te tillen. ‘Eerst moeten we bepalen welke afvalstromen we hebben, zoals welke soorten plastic het meeste afval produceren of het moeilijkst te recyclen zijn’, zegt hij. ‘Vervolgens moeten we onze kennis van het veld en de mogelijkheden vergroten en ook meer samenwerkingen met industrieën opzetten. En aan het begin van het plasticproductieproces moeten we betere reactoren ontwerpen die rekening houden met recycling.’

Vuilheid

‘Een andere belangrijke stap is het doen van fundamentele studies naar polymeerproblemen’, zegt Thevenon. ‘Polymeren zijn lange moleculen en vaak onoplosbaar, dus het veld moet methoden ontwikkelen om ofwel elektrochemie te doen in een heterogeen mengsel, of nieuwe elektrolyten, of nieuwe manieren ontwikkelen om de materialen op te lossen.’ Je moet ook rekening houden met de vuilheid van kunststoffen. ’Elektrochemie doe je meestal met zuivere grondstoffen, maar dat is niet het geval met afvalplastics. We moeten dus systemen vinden die hiermee om kunnen gaan.’

Thevenon vermoedt dat het misschien niet efficiënt genoeg is om elektrochemie toe te passen op afvalplastics. ‘Misschien moet je het alleen gebruiken om ongerepte kunststoffen om te zetten in andere soorten kunststoffen. Dit is waar de post-polymerisatie functionalisatiestrategieën erg nuttig kunnen zijn. Hiermee kun je polymeren maken die je op geen enkele andere manier kunt maken.’ Thevenon geeft het voorbeeld van polyethyleen. ‘Als we dat kunnen oxideren tot polyesters, wordt chemische recycling veel eenvoudiger. Een andere mogelijkheid is om ze met elektrochemie te overoxideren tot CO₂ en misschien nog wat andere elementen, die je dan zou kunnen zuiveren en hergebruiken om nieuwe polyesters te maken. Maar dat is allemaal erg energie-intensief.’

In ieder geval moet er nog veel onderzoek gebeuren. ‘Ons artikel is gebaseerd op technieken die ontwikkeld zijn voor kleine moleculen’, legt Zhang uit. ‘We moeten dus onderzoeken of deze methoden op dezelfde manier werken voor grotere moleculen, of dat we het onderzoek moeten verbreden zodat het ook toepasbaar wordt op polymeren. We hopen de gemeenschap te stimuleren om nieuwe strategieën en oplossingen te ontwikkelen om deze problemen aan te pakken.’

Zhang, W., Killian, L. and Thevenon, A. (2024) Chem Sci 15, DOI: 10.1039/D4SC01754D