بصری از دو نوع کاتالیزور، با بخشی از پوسته برداشته شده برای نشان دادن فضای داخلی. کره سفید نمایانگر پوسته سیلیس است، سوراخ ها منافذ هستند. کره های سبز روشن نشان دهنده مکان های کاتالیزوری هستند، کره های سمت چپ بسیار کوچکتر از سمت راست هستند. رشته های قرمز بلندتر نشان دهنده زنجیره های پلیمری هستند و رشته های کوتاهتر محصول پس از کاتالیز هستند. همه رشته‌های کوتاهتر از نظر اندازه مشابه هستند، که نشان‌دهنده گزینش پذیری ثابت در بین تغییرات کاتالیزور است. علاوه بر این، زنجیره‌های کوچک‌تری نیز توسط مکان‌های کاتالیزور کوچکتر تولید می‌شوند، زیرا واکنش سریعتر رخ می‌دهد. اعتبار: تصویر از آزمایشگاه ملی آرگون، وزارت انرژی ایالات متحده
فناوری‌های افزایش چرخه پلاستیک توسط یک کاتالیزور اخیراً توسعه‌یافته برای تجزیه پلاستیک‌ها در حال پیشرفت است. تیمی از دانشمندان به رهبری دانشمندان آزمایشگاه ایمز این را کشف کردند اولین کاتالیزور معدنی فرآیندی در سال 2020 برای تجزیه پلاستیک های پلی اولفین به مولکول هایی که می توانند برای تولید محصولات با ارزش تر مورد استفاده قرار گیرند. این تیم در حال حاضر یک استراتژی برای سرعت بخشیدن به تحول بدون قربانی کردن محصولات مطلوب ایجاد کرده است.
کاتالیزور در اصل توسط Wenyu Huang، دانشمند آزمایشگاه Ames طراحی شد. این شامل ذرات پلاتین است که بر روی یک هسته سیلیسی جامد قرار گرفته و توسط یک پوسته سیلیسی با منافذ یکنواخت احاطه شده است که دسترسی به سایت های کاتالیزوری را فراهم می کند. مقدار کل پلاتین مورد نیاز بسیار کم است، که به دلیل هزینه بالای پلاتین و عرضه محدود آن مهم است. در طول آزمایش‌های ساختارشکنی، زنجیره‌های پلیمری بلند به درون منافذ می‌پیوندند و با مکان‌های کاتالیزوری تماس می‌گیرند و سپس زنجیره‌ها به قطعات کوچکتر که دیگر مواد پلاستیکی نیستند شکسته می‌شوند (برای جزئیات بیشتر به تصویر بالا مراجعه کنید).
به گفته آرون سادو، دانشمند آزمایشگاه ایمز و مدیر آزمایشگاه موسسه تعاونی افزایش چرخه پلاستیک (iCOUP)، تیم سه نوع کاتالیزور را ساخت. هر یک از این تغییرات دارای هسته‌هایی با اندازه یکسان و پوسته‌های متخلخل بودند، اما قطرهای متفاوتی از ذرات پلاتین، از 1.7 تا 2.9 تا 5.0 نانومتر داشتند.
محققان فرض کردند که تفاوت در اندازه ذرات پلاتین بر طول زنجیره‌های محصول تأثیر می‌گذارد، بنابراین ذرات پلاتین بزرگ زنجیره‌های طولانی‌تر و ذرات کوچک زنجیره‌های کوتاه‌تری می‌سازند. با این حال، تیم کشف کرد که طول زنجیره های محصول برای هر سه کاتالیزور یکسان است.
در ادبیات، گزینش پذیری برای واکنش های برش پیوند کربن-کربن معمولاً با اندازه نانوذرات پلاتین متفاوت است. Sadow گفت: با قرار دادن پلاتین در انتهای منافذ، چیزی کاملاً منحصر به فرد دیدیم.
در عوض، سرعت شکستن زنجیره‌ها به مولکول‌های کوچکتر برای سه کاتالیزور متفاوت بود. ذرات پلاتین بزرگتر با زنجیره بلند پلیمری کندتر واکنش نشان دادند در حالی که ذرات کوچکتر سریعتر واکنش نشان دادند. این نرخ افزایش یافته می تواند ناشی از درصد بالاتر محل های پلاتین لبه و گوشه روی سطوح نانوذرات کوچکتر باشد. این مکان ها در جدا کردن زنجیره پلیمری فعال تر از پلاتین واقع در سطح ذرات هستند.
به گفته Sadow، نتایج مهم هستند زیرا نشان می‌دهند که فعالیت را می‌توان مستقل از گزینش پذیری در این واکنش‌ها تنظیم کرد. او گفت: «اکنون، ما مطمئن هستیم که می‌توانیم کاتالیزور فعال‌تری بسازیم که پلیمر را حتی سریعتر بجود، در حالی که از پارامترهای ساختاری کاتالیزور برای شماره‌گیری طول‌های زنجیره محصول خاص استفاده می‌کنیم.
هوانگ توضیح داد که این نوع واکنش پذیری مولکولی بزرگتر در کاتالیزورهای متخلخل به طور کلی به طور گسترده مورد مطالعه قرار نگرفته است. بنابراین، این تحقیق برای درک علم بنیادی و همچنین نحوه عملکرد آن برای افزایش چرخه پلاستیک مهم است.
ما واقعاً باید سیستم را بیشتر بشناسیم زیرا ما هنوز هر روز چیزهای جدیدی یاد می گیریم. هوانگ گفت: ما در حال بررسی پارامترهای دیگری هستیم که می توانیم برای افزایش بیشتر نرخ تولید و تغییر توزیع محصول تنظیم کنیم. "بنابراین چیزهای جدید زیادی در لیست ما وجود دارد که منتظر کشف آنها هستند."
مرجع: "نانوذرات کنترل شده با اندازه تعبیه شده در یک معماری مزوپور منجر به هیدروژنولیز کارآمد و انتخابی پلی الفین ها" توسط Xun Wu، Akalanka Tennakoon، Ryan Yappert، Michaela Esveld، Magali S. Ferrandon، Ryan A. LaPointe, Ryan A. هیدن، ماسیمیلیانو دلفرو، بارون پیترز، آرون دی. سادو و ونیو هوانگ، 23 فوریه 2022، مجله انجمن شیمی آمریکا.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
این تحقیق توسط مؤسسه همیاری افزایش چرخه پلاستیک (iCOUP) به رهبری آزمایشگاه ایمز انجام شد. iCOUP یک مرکز تحقیقاتی مرز انرژی متشکل از دانشمندانی از آزمایشگاه ایمز، آزمایشگاه ملی آرگون، UC سانتا باربارا، دانشگاه کارولینای جنوبی، دانشگاه کرنل، دانشگاه نورث وسترن، و دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign.
