Vizuální pohled na dvě varianty katalyzátoru s odstraněným segmentem pláště, aby bylo vidět vnitřek. Bílá koule představuje obal oxidu křemičitého, otvory jsou póry. Jasně zelené koule představují katalytická místa, ty vlevo jsou mnohem menší než ty vpravo. Delší červené řetězce představují polymerní řetězce a kratší řetězce jsou produkty po katalýze. Všechny kratší řetězce mají podobnou velikost, což představuje konzistentní selektivitu napříč variacemi katalyzátoru. Kromě toho existuje více menších řetězců produkovaných menšími místy katalyzátoru, protože reakce probíhá rychleji. Kredit: Obrázek s laskavým svolením Argonne National Laboratory, Ministerstvo energetiky USA
Technologie upcyklace plastů zdokonaluje nedávno vyvinutý katalyzátor pro rozklad plastů. Tým vědců pod vedením vědců z Ames Laboratory objevil první procesní anorganický katalyzátor v roce 2020 dekonstruovat polyolefinové plasty na molekuly, které lze použít k vytvoření hodnotnějších produktů. Tým nyní vyvinul a ověřil strategii pro urychlení transformace bez obětování žádoucích produktů.
Katalyzátor původně navrhl Wenyu Huang, vědec z Ames Laboratory. Skládá se z platinových částic nesených na pevném křemenném jádru a obklopených křemičitým obalem s jednotnými póry, které poskytují přístup ke katalytickým místům. Celkové potřebné množství platiny je poměrně malé, což je důležité kvůli vysokým nákladům a omezené nabídce platiny. Během dekonstrukčních experimentů se dlouhé polymerní řetězce navléknou do pórů a kontaktují katalytická místa a poté se řetězce rozbijí na menší kousky, které již nejsou plastovým materiálem (další podrobnosti viz obrázek výše).
Podle Aarona Sadowa, vědce z Ames Lab a ředitele společnosti Institut pro kooperativní recyklaci plastů (iCOUP), tým vytvořil tři varianty katalyzátoru. Každá varianta měla stejně velká jádra a porézní obaly, ale různé průměry platinových částic, od 1.7 do 2.9 do 5.0 nm.
Výzkumníci předpokládali, že rozdíly ve velikosti platinových částic ovlivní délky produktových řetězců, takže velké platinové částice vytvoří delší řetězce a malé kratší řetězce. Tým však zjistil, že délky produktových řetězců byly u všech tří katalyzátorů stejné.
„V literatuře se selektivita pro reakce štěpení vazby uhlík-uhlík obvykle liší podle velikosti nanočástic platiny. Umístěním platiny na dno pórů jsme viděli něco zcela unikátního,“ řekl Sadow.
Místo toho byla rychlost, jakou byly řetězce rozbity na menší molekuly, pro tři katalyzátory odlišná. Větší částice platiny reagovaly s dlouhým polymerním řetězcem pomaleji, zatímco menší částice reagovaly rychleji. Tato zvýšená rychlost by mohla vyplývat z vyššího procenta okrajových a rohových platinových míst na površích menších nanočástic. Tato místa jsou aktivnější při štěpení polymerního řetězce než platina umístěná na čelech částic.
Podle Sadowa jsou výsledky důležité, protože ukazují, že aktivitu lze upravit nezávisle na selektivitě těchto reakcí. „Nyní jsme přesvědčeni, že dokážeme vyrobit aktivnější katalyzátor, který by rozžvýkal polymer ještě rychleji, a přitom pomocí strukturálních parametrů katalyzátoru nastavuje konkrétní délky produktového řetězce,“ řekl.
Huang vysvětlil, že tento typ větší reaktivity molekul v porézních katalyzátorech obecně není široce studován. Výzkum je tedy důležitý pro pochopení základní vědy a také toho, jak funguje při upcyklaci plastů.
„Opravdu potřebujeme dále porozumět systému, protože se stále učíme nové věci každý den. Zkoumáme další parametry, které můžeme vyladit, abychom dále zvýšili rychlost výroby a posunuli distribuci produktů,“ řekl Huang. "Takže v našem seznamu je spousta nových věcí, které čekají, až objevíme."
Reference: “Velikostně řízené nanočástice vložené do mezoporézní architektury vedoucí k efektivní a selektivní hydrogenolýze polyolefinů” od Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. Hackler, Anne M. LaPointe, Andreas Heyden, Massimiliano Delferro, Baron Peters, Aaron D. Sadow a Wenyu Huang, 23. února 2022, Věstník americké chemické společnosti.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
Výzkum provedl Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), vedený Ames Laboratory. iCOUP je Energy Frontier Research Center složené z vědců z Ames Laboratory, Argonne National Laboratory, UC Santa Barbara, University of South Carolina, Cornell University, Northwestern Universitya University of Illinois Urbana-Champaign.
