Visuaalinen kuva katalyytin kahdesta muunnelmasta, jossa osa kuoresta on poistettu sisäpuolen näyttämiseksi. Valkoinen pallo edustaa piidioksidikuorta, reiät ovat huokosia. Kirkkaan vihreät pallot edustavat katalyyttisiä kohtia, vasemmalla olevat pallot ovat paljon pienempiä kuin oikeat. Pidemmät punaiset nauhat edustavat polymeeriketjuja ja lyhyemmät nauhat ovat tuotteita katalyysin jälkeen. Kaikki lyhyemmät nauhat ovat kooltaan samanlaisia, mikä edustaa johdonmukaista selektiivisyyttä katalyyttivaihteluiden välillä. Lisäksi pienemmät katalyyttikohdat tuottavat enemmän pienempiä ketjuja, koska reaktio tapahtuu nopeammin. Luotto: Kuva: Argonne National Laboratory, Yhdysvaltain energiaministeriö
Muovin kierrätysteknologiaa kehitetään äskettäin kehitetyn muovien hajottamiseen tarkoitetun katalysaattorin avulla. Ames Laboratoryn tutkijoiden johtama tutkijaryhmä löysi ensimmäinen prosessoitu epäorgaaninen katalyytti vuonna 2020 purkaa polyolefiinimuoveja molekyyleiksi, joista voidaan luoda arvokkaampia tuotteita. Tiimi on nyt kehittänyt ja validoinut strategian nopeuttaakseen muutosta tinkimättä halutuista tuotteista.
Katalysaattorin suunnitteli alun perin Ames Laboratoryn tutkija Wenyu Huang. Se koostuu platinahiukkasista, jotka on tuettu kiinteälle piidioksidisydämelle ja joita ympäröi piidioksidikuori, jossa on tasaiset huokoset, jotka mahdollistavat pääsyn katalyyttisiin kohtiin. Platinan kokonaismäärä on melko pieni, mikä on tärkeää platinan korkeiden kustannusten ja rajallisen tarjonnan vuoksi. Dekonstruktiokokeiden aikana pitkät polymeeriketjut kiertyvät huokosiin ja koskettavat katalyyttikohtia, minkä jälkeen ketjut murretaan pienempikokoisiksi paloiksi, jotka eivät enää ole muovimateriaalia (katso lisätietoja yllä olevasta kuvasta).
Ames Labin tutkijan ja laitoksen johtajan Aaron Sadowin mukaan Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), tiimi loi kolme muunnelmaa katalyytistä. Jokaisessa muunnelmassa oli samankokoiset ytimet ja huokoiset kuoret, mutta platinahiukkasten halkaisijat vaihtelivat 1.7 - 2.9 - 5.0 nm.
Tutkijat olettivat, että platinahiukkaskoon erot vaikuttaisivat tuoteketjujen pituuteen, joten suuret platinahiukkaset tekisivät pidempiä ketjuja ja pienet lyhyempiä ketjuja. Ryhmä kuitenkin havaitsi, että tuoteketjujen pituudet olivat samankokoisia kaikille kolmelle katalyytille.
”Kirjallisuudessa selektiivisyys hiili-hiilisidoksen katkaisureaktioihin vaihtelee yleensä platinananohiukkasten koon mukaan. Asettamalla platinaa huokosten pohjalle näimme jotain aivan ainutlaatuista, Sadow sanoi.
Sen sijaan nopeus, jolla ketjut murtuivat pienemmiksi molekyyleiksi, oli erilainen näille kolmelle katalyytille. Suuremmat platinahiukkaset reagoivat pitkän polymeeriketjun kanssa hitaammin, kun taas pienemmät reagoivat nopeammin. Tämä lisääntynyt nopeus voi johtua suuremmasta prosenttiosuudesta reuna- ja kulmaplatinakohtia pienempien nanohiukkasten pinnoilla. Nämä kohdat ovat aktiivisempia katkaisemaan polymeeriketjua kuin platina, joka sijaitsee hiukkasten pinnalla.
Sadowin mukaan tulokset ovat tärkeitä, koska ne osoittavat, että aktiivisuutta voidaan säätää riippumattomasti näiden reaktioiden selektiivisyydestä. "Nyt olemme varmoja, että pystymme valmistamaan aktiivisemman katalyytin, joka pureskelee polymeerin vielä nopeammin, samalla kun käytämme katalyytin rakenteellisia parametreja tiettyjen tuoteketjun pituuksien valitsemiseen", hän sanoi.
Huang selitti, että tämän tyyppistä suurempien molekyylien reaktiivisuutta huokoisissa katalyyteissä ei yleensä ole laajalti tutkittu. Tutkimus on siis tärkeä, jotta ymmärrät perustieteen ja kuinka se toimii muovien kierrättämisessä.
”Meidän on todellakin ymmärrettävä järjestelmää paremmin, koska opimme edelleen uusia asioita joka päivä. Tutkimme muita parametreja, joita voimme virittää lisätäksemme edelleen tuotantonopeutta ja siirtääksemme tuotejakelua", Huang sanoi. "Joten listallamme on paljon uusia asioita, jotka odottavat meidän löytämistä."
Viite: Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. LaPoin, Andreas M. "Mesohuokoiseen arkkitehtuuriin upotetut kokosäädellyt nanopartikkelit, jotka johtavat tehokkaaseen ja selektiiviseen polyolefiinien hydrogenolyysiin". Heyden, Massimiliano Delferro, Baron Peters, Aaron D. Sadow ja Wenyu Huang, 23. helmikuuta 2022, Journal of American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
Tutkimuksen suoritti Ames Laboratoryn johtama Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP). iCOUP on Energy Frontier Research Center, joka koostuu tutkijoista Ames Laboratorysta, Argonne National Laboratorysta, UC Santa Barbarasta, Etelä-Carolinan yliopistosta, Cornellin yliopistosta, Northwestern Universityja University of Illinois Urbana-Champaign.
