Visual de dúas variacións do catalizador, cun segmento da cuncha eliminado para mostrar o interior. A esfera branca representa a cuncha de sílice, os buracos son os poros. As esferas verdes brillantes representan os sitios catalíticos, as da esquerda son moito máis pequenas que as da dereita. As cordas vermellas máis longas representan as cadeas de polímero, e as cordas máis curtas son produtos despois da catálise. Todas as cordas máis curtas son de tamaño semellante, o que representa a selectividade consistente entre as variacións do catalizador. Ademais, hai máis cadeas máis pequenas producidas polos sitios catalizadores máis pequenos porque a reacción ocorre máis rápido. Crédito: Imaxe cortesía de Argonne National Laboratory, Departamento de Enerxía dos Estados Unidos
As tecnoloxías de reciclaxe de plástico están sendo avanzadas por un catalizador desenvolvido recentemente para descompoñer plásticos. Un equipo de científicos dirixido por científicos do Laboratorio de Ames descubriu o primeiro catalizador inorgánico procesivo en 2020 para deconstruír plásticos de poliolefina en moléculas que poidan usarse para crear produtos máis valiosos. O equipo desenvolveu e validou agora unha estratexia para acelerar a transformación sen sacrificar os produtos desexables.
O catalizador foi orixinalmente deseñado por Wenyu Huang, un científico do Laboratorio de Ames. Consiste en partículas de platino apoiadas nun núcleo sólido de sílice e rodeadas por unha capa de sílice con poros uniformes que proporcionan acceso aos sitios catalíticos. A cantidade total de platino necesaria é bastante pequena, o que é importante debido ao alto custo do platino e á oferta limitada. Durante os experimentos de deconstrución, as longas cadeas de polímero enfróntanse nos poros e entran en contacto cos sitios catalíticos e, a continuación, as cadeas rómpese en anacos de menor tamaño que xa non son material plástico (ver imaxe superior para obter máis detalles).
Segundo Aaron Sadow, científico do Ames Lab e director do Instituto para o Reciclado Cooperativo de Plásticos (iCOUP), o equipo elaborou tres variacións do catalizador. Cada variación tiña núcleos de tamaño idéntico e cunchas porosas, pero diámetros variables de partículas de platino, de 1.7 a 2.9 a 5.0 nm.
Os investigadores plantexaron a hipótese de que as diferenzas no tamaño das partículas de platino afectarían á lonxitude das cadeas de produtos, polo que as partículas grandes de platino farían cadeas máis longas e as pequenas farían cadeas máis curtas. Non obstante, o equipo descubriu que as lonxitudes das cadeas de produtos eran do mesmo tamaño para os tres catalizadores.
"Na literatura, a selectividade para as reaccións de escisión do enlace carbono-carbono adoita variar co tamaño das nanopartículas de platino. Ao colocar platino na parte inferior dos poros, vimos algo bastante único", dixo Sadow.
Pola contra, a velocidade á que se romperon as cadeas en moléculas máis pequenas foi diferente para os tres catalizadores. As partículas de platino máis grandes reaccionaron coa longa cadea de polímero máis lentamente mentres que as máis pequenas reaccionaron máis rápido. Este aumento da taxa podería derivarse da maior porcentaxe de sitios de platino de bordo e esquinas nas superficies das nanopartículas máis pequenas. Estes sitios son máis activos na división da cadea polimérica que o platino situado nas caras das partículas.
Segundo Sadow, os resultados son importantes porque mostran que a actividade pode axustarse independentemente da selectividade nestas reaccións. "Agora, estamos seguros de que podemos facer un catalizador máis activo que mastigue o polímero aínda máis rápido, mentres usamos parámetros estruturais do catalizador para marcar lonxitudes específicas da cadea de produtos", dixo.
Huang explicou que este tipo de reactividade de moléculas máis grandes en catalizadores porosos en xeral non son moi estudados. Polo tanto, a investigación é importante para comprender a ciencia fundamental, así como como funciona para reciclar plásticos.
"Realmente necesitamos comprender máis o sistema porque aínda estamos aprendendo cousas novas todos os días. Estamos a explorar outros parámetros que podemos sintonizar para aumentar aínda máis a taxa de produción e cambiar a distribución do produto", dixo Huang. "Así que hai moitas cousas novas na nosa lista agardando por nós para descubrir".
Referencia: "Size-Controlled Nanoparticles Embedded in a Mesoporous Architecture Leading to Efficient and Selective Hydrogenolysis of Polyolefins" por 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 e Wenyu Huang, 23 de febreiro de 2022, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
A investigación foi realizada polo Instituto de Upcycling Cooperativo de Plásticos (iCOUP), dirixido polo Laboratorio de Ames. iCOUP é un Centro de Investigación da Fronteira Enerxética formado por científicos do Laboratorio Ames, o Laboratorio Nacional de Argonne, UC Santa Barbara, Universidade de Carolina do Sur, Universidade de Cornell, Universidade Northwestern, e a Universidade de Illinois Urbana-Champaign.
