Polyolefin-Kunststoffe wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) gehören zu den weltweit am häufigsten eingesetzten Materialien – von Verpackungen über Haushaltsprodukte bis hin zu medizinischen Anwendungen. Ihre chemische Stabilität macht sie jedoch extrem schwer recycelbar, was zu enormen Umweltproblemen führt.

Ein Forschungsteam der Northwestern University hat nun ein neuartiges Verfahren entwickelt, das den Recyclingprozess für Polyolefine grundlegend vereinfachen könnte: Ein kostengünstiger, hochselektiver Nickel-Katalysator ermöglicht die direkte Verarbeitung von gemischtem Kunststoffabfall – selbst bei Verunreinigungen mit Polyvinylchlorid (PVC), das bisher als Ausschlusskriterium für das Recycling galt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Polyolefin im Fokus des Recyclings

Polyolefine machen laut Schätzungen rund zwei Drittel des weltweiten Kunststoffverbrauchs aus – jährlich werden mehr als 220 Millionen Tonnen produziert. In Produkten wie Joghurtbechern, Shampoo-Flaschen, Müllsäcken oder Verpackungsfolien sind sie allgegenwärtig. Ihr kurzlebiger Einsatz als Einwegmaterial führt jedoch dazu, dass große Mengen nach Gebrauch auf Deponien oder in der Umwelt landen. Die Recyclingquote liegt global lediglich zwischen 1 und 10 Prozent.

Der Grund liegt in der chemischen Struktur: Polyolefine bestehen aus stabilen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, die sich nur schwer aufbrechen lassen. „Wenn wir Katalysatoren entwickeln, suchen wir nach Schwachstellen – aber Polyolefine haben keine“, erklärt Yosi Kratish, Co-Autor der Studie.

Gängige Recyclingverfahren sind entweder energieintensiv oder liefern minderwertige Ergebnisse. Mechanisches Recycling etwa erfordert das exakte Sortieren nach Kunststofftyp, um Verunreinigungen zu vermeiden. Thermische Verfahren benötigen Temperaturen zwischen 400 und 700 Grad Celsius und verbrauchen viel Energie.

Recycling ohne Sortierung – durch katalytische Präzision

Das neue Verfahren basiert auf einem präzise designten Nickel-Katalysator, der im Prozess der Hydrogenolyse gezielt Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Polyolefinen spaltet. Der Katalysator ist nicht nur kostengünstig, sondern auch hocheffizient. „Unser neuer Katalysator könnte diesen kostspieligen und arbeitsintensiven Schritt des Sortierens für gängige Polyolefine umgehen“, sagt Tobin Marks, Senior-Autor der Studie.

Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen, die teure Edelmetalle wie Platin oder Palladium verwenden, setzt das Team auf ein Erdmetall: Nickel. Der Katalysator ist als sogenannter Single-Site-Katalysator aufgebaut, das heißt, er verfügt über eine einzelne, klar definierte aktive Stelle. Diese wirkt wie ein präzises Skalpell, das bevorzugt verzweigte Polyolefine – wie isotaktisches Polypropylen – spaltet, während lineare Polyolefine weitgehend unberührt bleiben. Dadurch wird eine chemische Trennung innerhalb gemischter Kunststoffabfälle möglich.

„Verglichen mit anderen nickelbasierten Katalysatoren arbeitet unser System bei 100 Grad Celsius geringerer Temperatur, benötigt nur halb so viel Wasserstoffdruck und zehnmal weniger Katalysatormenge – bei gleichzeitig zehnfacher Reaktivität“, so Kratish weiter.

Toleranz gegenüber PVC-Kontamination

Eine der größten Überraschungen: Der Katalysator funktioniert nicht nur trotz Verunreinigungen mit PVC – er arbeitet in deren Anwesenheit sogar noch effizienter. Normalerweise setzt sich bei der thermischen Zersetzung von PVC korrosives Chlorwasserstoffgas frei, das andere Katalysatoren deaktiviert. Im Fall des neuen Katalysators bleibt die Aktivität jedoch erhalten – und wird sogar gesteigert.

„PVC zu einer Recyclingmischung hinzuzufügen, war bisher immer tabu“, sagt Kratish. „Aber anscheinend verbessert es unseren Prozess sogar. Das ist verrückt. Damit hat definitiv niemand gerechnet.“ Selbst bei einem PVC-Anteil von 25 Prozent an der Gesamtmasse zeigte das System keine Einbußen in der Performance.

Der Katalysator kann zudem mehrfach eingesetzt und durch eine einfache Behandlung mit Alkylaluminium regeneriert werden. Das macht das Verfahren sowohl nachhaltig als auch wirtschaftlich attraktiv für industrielle Anwendungen.

Industrielle Perspektiven für das Polyolefin-Recycling

Das neu entwickelte Verfahren wurde gezielt für die Anforderungen industrieller Anwendungen konzipiert. Der eingesetzte Nickel-Katalysator basiert auf einem kostengünstigen, reichlich verfügbaren Metall und benötigt deutlich geringere Temperaturen sowie geringeren Wasserstoffdruck als bisherige Methoden. Dadurch eignet er sich für die Verarbeitung großer Mengen unsortierten Polyolefin-Abfalls.

Die Forschenden betonen, dass der Ansatz das Recycling nicht nur effizienter, sondern auch wirtschaftlich attraktiver macht – insbesondere im Vergleich zu bisherigen, energieintensiven oder sortierabhängigen Strategien.

Studienhintergrund und Beteiligte

Die Arbeit wurde unter der Leitung von Tobin Marks, Yosi Kratish und Qingheng Lai in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Purdue University, des Ames National Laboratory und der Northwestern University durchgeführt. Unterstützt wurde das Projekt vom US-Energieministerium sowie von The Dow Chemical Company.

Originalpublikation: Lai, Q., Zhang, X., Jiang, S. et al. Stable single-site organonickel catalyst preferentially hydrogenolyses branched polyolefin C–C bonds. Nat. Chem. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01892-y