Bild von zwei Variationen des Katalysators, wobei ein Segment der Schale entfernt wurde, um das Innere zu zeigen. Die weiße Kugel stellt die Silicahülle dar, die Löcher sind die Poren. Die hellgrünen Kugeln stellen die katalytischen Zentren dar, die linken sind viel kleiner als die rechten. Die längeren roten Schnüre stellen die Polymerketten dar, und die kürzeren Schnüre sind Produkte nach der Katalyse. Alle kürzeren Stränge haben eine ähnliche Größe, was die konsistente Selektivität über Katalysatorvariationen hinweg darstellt. Außerdem werden durch die kleineren Katalysatorstellen mehr kleinere Ketten erzeugt, da die Reaktion schneller abläuft. Bildnachweis: Bild mit freundlicher Genehmigung des Argonne National Laboratory, US Department of Energy
Kunststoff-Upcycling-Technologien werden durch einen kürzlich entwickelten Katalysator zum Abbau von Kunststoffen vorangetrieben. Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Wissenschaftlern des Ames Laboratory entdeckte die erster prozessiver anorganischer Katalysator im Jahr 2020, um Polyolefin-Kunststoffe in Moleküle zu zerlegen, die zur Herstellung wertvollerer Produkte verwendet werden können. Das Team hat nun eine Strategie entwickelt und validiert, um die Transformation zu beschleunigen, ohne wünschenswerte Produkte zu opfern.
Der Katalysator wurde ursprünglich von Wenyu Huang, einem Wissenschaftler am Ames Laboratory, entworfen. Es besteht aus Platinpartikeln, die auf einem festen Siliziumdioxidkern geträgert und von einer Siliziumdioxidhülle mit gleichmäßigen Poren umgeben sind, die den Zugang zu katalytischen Stellen ermöglichen. Die benötigte Gesamtmenge an Platin ist ziemlich gering, was wegen der hohen Kosten und des begrenzten Angebots an Platin wichtig ist. Während der Dekonstruktionsexperimente fädeln sich die langen Polymerketten in die Poren ein und kontaktieren die katalytischen Stellen, und dann werden die Ketten in kleinere Stücke zerbrochen, die kein Kunststoffmaterial mehr sind (siehe Abbildung oben für weitere Details).
Laut Aaron Sadow, einem Wissenschaftler am Ames Lab und Direktor des Institut für Kooperatives Upcycling von Kunststoffen (iCOUP)stellte das Team drei Variationen des Katalysators her. Jede Variation hatte identisch große Kerne und poröse Schalen, aber unterschiedliche Durchmesser der Platinpartikel von 1.7 bis 2.9 bis 5.0 nm.
Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass die Unterschiede in der Platinpartikelgröße die Länge der Produktketten beeinflussen würden, sodass große Platinpartikel längere Ketten und kleine kürzere Ketten bilden würden. Das Team entdeckte jedoch, dass die Längen der Produktketten bei allen drei Katalysatoren gleich groß waren.
„In der Literatur variiert die Selektivität für Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsspaltungsreaktionen normalerweise mit der Größe der Platin-Nanopartikel. Indem wir Platin am Boden der Poren platzierten, sahen wir etwas ziemlich Einzigartiges“, sagte Sadow.
Stattdessen war die Geschwindigkeit, mit der die Ketten in kleinere Moleküle aufgebrochen wurden, für die drei Katalysatoren unterschiedlich. Die größeren Platinpartikel reagierten mit der langen Polymerkette langsamer, während die kleineren schneller reagierten. Diese erhöhte Rate könnte aus dem höheren Prozentsatz an Kanten- und Eckplatinstellen auf den Oberflächen der kleineren Nanopartikel resultieren. Diese Stellen sind beim Spalten der Polymerkette aktiver als das Platin, das sich in den Flächen der Teilchen befindet.
Laut Sadow sind die Ergebnisse wichtig, weil sie zeigen, dass bei diesen Reaktionen die Aktivität unabhängig von der Selektivität eingestellt werden kann. „Jetzt sind wir zuversichtlich, dass wir einen aktiveren Katalysator herstellen können, der das Polymer noch schneller zerkaut, während wir Katalysatorstrukturparameter verwenden, um bestimmte Produktkettenlängen einzustellen“, sagte er.
Huang erklärte, dass diese Art der Reaktivität größerer Moleküle in porösen Katalysatoren im Allgemeinen nicht umfassend untersucht wird. Daher ist die Forschung wichtig, um die Grundlagenforschung zu verstehen und wie sie sich beim Upcycling von Kunststoffen verhält.
„Wir müssen das System wirklich noch besser verstehen, weil wir immer noch jeden Tag neue Dinge lernen. Wir untersuchen andere Parameter, die wir optimieren können, um die Produktionsrate weiter zu steigern und die Produktverteilung zu verschieben“, sagte Huang. „Es gibt also viele neue Dinge auf unserer Liste, die darauf warten, von uns entdeckt zu werden.“
Referenz: „Size-Controlled Nanoparticles Embedded in a Mesoporous Architecture Leading to Efficient and Selective Hydrogenolysis of Polyolefins“ von 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 und Wenyu Huang, 23. Februar 2022, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
Die Forschung wurde vom Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP) unter der Leitung von Ames Laboratory durchgeführt. iCOUP ist ein Energy Frontier Research Center, bestehend aus Wissenschaftlern des Ames Laboratory, des Argonne National Laboratory, der UC Santa Barbara, der University of South Carolina, der Cornell University, Northwestern University, und der University of Illinois Urbana-Champaign.
