Mynd af tveimur afbrigðum af hvatanum, með hluta af skelinni fjarlægður til að sýna innréttinguna. Hvíta kúlan táknar kísilskelina, götin eru svitaholurnar. Skærgrænu kúlurnar tákna hvarfastaði, þær vinstra megin eru mun minni en þær til hægri. Lengri rauðu strengirnir tákna fjölliðakeðjurnar og styttri strengirnir eru afurðir eftir hvata. Allir styttri strengir eru svipaðir að stærð, sem tákna stöðuga sérhæfni á milli mismunandi hvata. Að auki eru fleiri smærri keðjur framleiddar af smærri hvatastöðum vegna þess að hvarfið á sér stað hraðar. Credit: Mynd með leyfi Argonne National Laboratory, US Department of Energy
Endurnýtingartækni úr plasti er þróað með nýlega þróaðri hvata til að brjóta niður plast. Hópur vísindamanna undir forystu Ames Laboratory vísindamanna uppgötvaði fyrsti vinnandi ólífræni hvatinn árið 2020 til að afbyggja pólýólefínplast í sameindir sem hægt er að nota til að búa til verðmætari vörur. Liðið hefur nú þróað og staðfest stefnu til að flýta fyrir umbreytingunni án þess að fórna eftirsóknarverðum vörum.
Hvatinn var upphaflega hannaður af Wenyu Huang, vísindamanni við Ames Laboratory. Það samanstendur af platínuögnum sem studdar eru á föstu kísilkjarna og umkringdar kísilskel með einsleitum svitaholum sem veita aðgang að hvarfastöðum. Heildarmagn platínu sem þarf er frekar lítið, sem er mikilvægt vegna mikils kostnaðar platínu og takmarkaðs framboðs. Við afbyggingartilraunir þræðast löngu fjölliðakeðjurnar inn í svitaholurnar og snerta hvarfastaði og síðan eru keðjurnar brotnar í smærri hluta sem eru ekki lengur plastefni (sjá mynd hér að ofan fyrir frekari upplýsingar).
Samkvæmt Aaron Sadow, vísindamanni hjá Ames Lab og forstöðumanni Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), teymið bjó til þrjú afbrigði af hvatanum. Hver afbrigði hafði sömu stóra kjarna og gljúpa skel, en mismunandi þvermál platínuagna, frá 1.7 til 2.9 til 5.0 nm.
Rannsakendur gerðu tilgátu um að munur á kornastærð platínu myndi hafa áhrif á lengd vörukeðjanna, þannig að stórar platínuagnir myndu lengri keðjur og litlar myndu styttri keðjur. Hins vegar uppgötvaði teymið að lengd vörukeðjanna var sömu stærð fyrir alla þrjá hvata.
„Í bókmenntum er sérhæfni fyrir klofnunarviðbrögð kolefnis og kolefnistengi venjulega mismunandi eftir stærð platínu nanóagnanna. Með því að setja platínu neðst á svitaholunum sáum við eitthvað alveg einstakt,“ sagði Sadow.
Þess í stað var hraðinn þegar keðjurnar voru brotnar í smærri sameindir mismunandi fyrir hvatana þrjá. Stærri platínu agnirnar brugðust við langri fjölliðakeðju hægar á meðan þær smærri brugðust hraðar. Þetta aukna hlutfall gæti stafað af hærra hlutfalli brún- og hornplatínustaða á yfirborði smærri nanóagnanna. Þessir staðir eru virkari við að kljúfa fjölliðakeðjuna en platínan sem er staðsett í andlitum agnanna.
Að sögn Sadow eru niðurstöðurnar mikilvægar vegna þess að þær sýna að hægt er að stilla virkni óháð sértækni í þessum viðbrögðum. „Nú erum við fullviss um að við getum búið til virkari hvata sem myndi tyggja fjölliðuna enn hraðar, á meðan við notum byggingarfæribreytur hvata til að velja sérstakar vörukeðjulengdir,“ sagði hann.
Huang útskýrði að þessi tegund af stærri sameinda hvarfgirni í gljúpum hvötum almennt sé ekki mikið rannsökuð. Svo, rannsóknirnar eru mikilvægar til að skilja grundvallarvísindin sem og hvernig þær standa sig fyrir endurvinnslu plasts.
„Við þurfum virkilega að skilja kerfið frekar því við erum enn að læra nýja hluti á hverjum degi. Við erum að kanna aðrar breytur sem við getum stillt til að auka framleiðsluhraðann enn frekar og breyta vörudreifingunni,“ sagði Huang. „Þannig að það er fullt af nýjum hlutum á listanum okkar sem bíða eftir að við uppgötvum.
Tilvísun: „Stærðarstýrðar nanóagnir innbyggðar í mesoporous arkitektúr sem leiðir til skilvirkrar og sértækrar vetnisgreiningar á pólýólefínum“ eftir Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. Hackler, Anne M. LaPointe, Anne M. LaPointe, Heyden, Massimiliano Delferro, Baron Peters, Aaron D. Sadow og Wenyu Huang, 23. febrúar 2022, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
Rannsóknin var gerð af Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), undir forystu Ames Laboratory. iCOUP er Energy Frontier Research Center sem samanstendur af vísindamönnum frá Ames Laboratory, Argonne National Laboratory, UC Santa Barbara, University of South Carolina, Cornell University, Northwestern University, og University of Illinois Urbana-Champaign.
