Katalüsaatori kahe variandi visuaalne pilt, mille sisemuse näitamiseks eemaldati kesta segment. Valge kera tähistab ränidioksiidi kesta, augud on poorid. Erkrohelised sfäärid tähistavad katalüütilisi kohti, vasakpoolsed on palju väiksemad kui parempoolsed. Pikemad punased nöörid tähistavad polümeeri ahelaid ja lühemad stringid on tooted pärast katalüüsi. Kõik lühemad stringid on suuruselt sarnased, esindades ühtlast selektiivsust katalüsaatori variatsioonide vahel. Lisaks on väiksemate katalüsaatorikohtade poolt toodetud rohkem väiksemaid ahelaid, kuna reaktsioon toimub kiiremini. Krediit: pilt USA energeetikaministeeriumi Argonne'i riikliku labori loal
Plasti ümbertöötlemise tehnoloogiaid arendab hiljuti välja töötatud plastide lagundamiseks mõeldud katalüsaator. Amesi labori teadlaste juhitud teadlaste meeskond avastas esimene protsessiivne anorgaaniline katalüsaator aastal 2020 dekonstrueerida polüolefiinplastid molekulideks, mida saab kasutada väärtuslikumate toodete loomiseks. Meeskond on nüüdseks välja töötanud ja kinnitanud strateegia, et kiirendada ümberkujundamist ilma soovitud tooteid ohverdamata.
Katalüsaatori kujundas algselt Amesi labori teadlane Wenyu Huang. See koosneb plaatinaosakestest, mis on kantud tahkele ränidioksiidi südamikule ja mida ümbritseb ühtlaste pooridega ränidioksiidi kest, mis tagab juurdepääsu katalüütilistele kohtadele. Plaatina vajalik kogus on üsna väike, mis on oluline plaatina kõrge hinna ja piiratud pakkumise tõttu. Dekonstrueerimiskatsete käigus keerduvad pikad polümeeriahelad pooridesse ja puutuvad kokku katalüütiliste kohtadega ning seejärel purustatakse ketid väiksemateks tükkideks, mis ei ole enam plastmaterjal (vt täpsemalt ülaltoodud pildilt).
Ames Labi teadlase ja direktori Aaron Sadowi sõnul Plastide ühiskasutuse instituut (iCOUP), koostas meeskond katalüsaatori kolm varianti. Igal variatsioonil olid identse suurusega südamikud ja poorsed kestad, kuid plaatinaosakeste läbimõõt oli erinev, vahemikus 1.7 kuni 2.9 kuni 5.0 nm.
Teadlased oletasid, et erinevused plaatinaosakeste suuruses mõjutavad tooteahelate pikkust, nii et suured plaatinaosakesed teevad pikemad ahelad ja väikesed lühemad ahelad. Töörühm avastas aga, et tooteahelate pikkused olid kõigi kolme katalüsaatori puhul ühesuurused.
"Kirjanduses varieerub süsinik-süsinik sideme lõhustamisreaktsioonide selektiivsus tavaliselt sõltuvalt plaatina nanoosakeste suurusest. Paigaldades plaatina pooride põhja, nägime midagi üsna ainulaadset, " ütles Sadow.
Selle asemel oli ahelate väiksemateks molekulideks purustamise kiirus nende kolme katalüsaatori puhul erinev. Suuremad plaatinaosakesed reageerisid pika polümeeriahelaga aeglasemalt, väiksemad aga kiiremini. See suurenenud kiirus võib tuleneda väiksemate nanoosakeste pindade servade ja nurkade plaatinakohtade suuremast protsendist. Need kohad lõhustavad polümeeri ahelat aktiivsemalt kui plaatina, mis asub osakeste esiküljel.
Sadow sõnul on tulemused olulised, kuna need näitavad, et aktiivsust saab reguleerida sõltumatult nende reaktsioonide selektiivsusest. "Nüüd oleme kindlad, et suudame luua aktiivsema katalüsaatori, mis näriks polümeeri veelgi kiiremini, kasutades samal ajal katalüsaatori struktuuriparameetreid konkreetse tooteahela pikkuse valimiseks," ütles ta.
Huang selgitas, et seda tüüpi suuremate molekulide reaktsioonivõimet poorsetes katalüsaatorites üldiselt ei ole laialdaselt uuritud. Seega on uurimustöö oluline nii fundamentaalteaduse mõistmiseks kui ka selle toimimise kohta plastide taaskasutamiseks.
„Peame süsteemist tõesti rohkem aru saama, sest õpime ikka iga päev uusi asju. Uurime teisi parameetreid, mida saaksime tootmiskiiruse edasiseks suurendamiseks ja toote levitamise nihutamiseks häälestada, ”ütles Huang. "Nii et meie loendis on palju uusi asju, mis ootavad meid avastama."
Viide: Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. LaPoin, Andreas M. „Mesopoorsesse arhitektuuri sisseehitatud suuruse kontrollitud nanoosakesed, mis viivad tõhusa ja selektiivse polüolefiinide hüdrogenolüüsini. Heyden, Massimiliano Delferro, Baron Peters, Aaron D. Sadow ja Wenyu Huang, 23. veebruar 2022, Ameerika keemilise ühiskonna ajakiri.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
Uuringu viis läbi plastide ühiskasutuse instituut (iCOUP), mida juhib Amesi labor. iCOUP on Energy Frontier Research Center, mis koosneb Ames Laboratory, Argonne National Laboratory, UC Santa Barbara, Lõuna-Carolina ülikooli ja Cornelli ülikooli teadlastest. Northwestern Universityja Illinoisi ülikool Urbana-Champaign.
