Visual dari dua variasi katalis, dengan segmen cangkang dihilangkan untuk menunjukkan interior. Bola putih mewakili cangkang silika, lubang adalah pori-pori. Bola hijau terang mewakili situs katalitik, yang di sebelah kiri jauh lebih kecil daripada yang di sebelah kanan. String merah yang lebih panjang mewakili rantai polimer, dan string yang lebih pendek adalah produk setelah katalisis. Semua string yang lebih pendek memiliki ukuran yang sama, mewakili selektivitas yang konsisten di seluruh variasi katalis. Selain itu, ada lebih banyak rantai yang lebih kecil yang dihasilkan oleh situs katalis yang lebih kecil karena reaksi terjadi lebih cepat. Kredit: Gambar milik Laboratorium Nasional Argonne, Departemen Energi AS
Teknologi daur ulang plastik sedang dikembangkan oleh katalis yang baru-baru ini dikembangkan untuk memecah plastik. Sebuah tim ilmuwan yang dipimpin oleh ilmuwan Ames Laboratory menemukan katalis anorganik prosesi pertama pada tahun 2020 untuk mendekonstruksi plastik poliolefin menjadi molekul yang dapat digunakan untuk membuat produk yang lebih bernilai. Tim sekarang telah mengembangkan dan memvalidasi strategi untuk mempercepat transformasi tanpa mengorbankan produk yang diinginkan.
Katalis awalnya dirancang oleh Wenyu Huang, seorang ilmuwan di Ames Laboratory. Ini terdiri dari partikel platinum yang didukung pada inti silika padat dan dikelilingi oleh cangkang silika dengan pori-pori seragam yang menyediakan akses ke situs katalitik. Jumlah total platina yang dibutuhkan cukup kecil, yang penting karena biaya platina yang tinggi dan persediaan yang terbatas. Selama percobaan dekonstruksi, rantai polimer panjang masuk ke dalam pori-pori dan menghubungi situs katalitik, dan kemudian rantai dipecah menjadi potongan-potongan berukuran lebih kecil yang bukan lagi bahan plastik (lihat gambar di atas untuk lebih jelasnya).
Menurut Aaron Sadow, seorang ilmuwan di Ames Lab dan direktur dari Institut Koperasi Daur Ulang Plastik (iCOUP), tim membuat tiga variasi katalis. Setiap variasi memiliki inti berukuran identik dan cangkang berpori, tetapi diameter partikel platinum bervariasi, dari 1.7 hingga 2.9 hingga 5.0 nm.
Para peneliti berhipotesis bahwa perbedaan ukuran partikel platina akan mempengaruhi panjang rantai produk, jadi partikel platina yang besar akan membuat rantai yang lebih panjang dan yang kecil akan membuat rantai yang lebih pendek. Namun, tim menemukan bahwa panjang rantai produk memiliki ukuran yang sama untuk ketiga katalis.
“Dalam literatur, selektivitas untuk reaksi pemutusan ikatan karbon-karbon biasanya bervariasi dengan ukuran nanopartikel platinum. Dengan menempatkan platina di dasar pori-pori, kami melihat sesuatu yang cukup unik,” kata Sadow.
Sebaliknya, tingkat di mana rantai dipecah menjadi molekul yang lebih kecil berbeda untuk ketiga katalis. Partikel platinum yang lebih besar bereaksi dengan rantai polimer panjang lebih lambat sedangkan yang lebih kecil bereaksi lebih cepat. Tingkat peningkatan ini bisa dihasilkan dari persentase yang lebih tinggi dari tepi dan sudut situs platinum pada permukaan nanopartikel yang lebih kecil. Situs-situs ini lebih aktif dalam memutus rantai polimer daripada platinum yang terletak di permukaan partikel.
Menurut Sadow, hasil ini penting karena menunjukkan bahwa aktivitas dapat disesuaikan secara independen dari selektivitas dalam reaksi ini. “Sekarang, kami yakin bahwa kami dapat membuat katalis yang lebih aktif yang akan mengunyah polimer lebih cepat, sambil menggunakan parameter struktural katalis untuk menentukan panjang rantai produk tertentu,” katanya.
Huang menjelaskan bahwa jenis reaktivitas molekul yang lebih besar dalam katalis berpori pada umumnya tidak banyak dipelajari. Jadi, penelitian ini penting untuk memahami ilmu dasar serta bagaimana kinerjanya untuk mendaur ulang plastik.
“Kami benar-benar perlu memahami sistem lebih jauh karena kami masih mempelajari hal-hal baru setiap hari. Kami sedang menjajaki parameter lain yang dapat kami sesuaikan untuk lebih meningkatkan laju produksi dan menggeser distribusi produk, ”kata Huang. “Jadi ada banyak hal baru dalam daftar kami yang menunggu untuk kami temukan.”
Referensi: “Ukuran Terkendali Nanopartikel Tertanam dalam Arsitektur Mesopori yang Menghasilkan Hidrogenolisis Poliolefin yang Efisien dan Selektif” oleh 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 dan Wenyu Huang, 23 Februari 2022, Journal of American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
Penelitian ini dilakukan oleh Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP) yang dipimpin oleh Laboratorium Ames. iCOUP adalah Energy Frontier Research Center yang terdiri dari ilmuwan dari Ames Laboratory, Argonne National Laboratory, UC Santa Barbara, University of South Carolina, Cornell University, Northwestern University, dan Universitas Illinois Urbana-Champaign.
