Dviejų katalizatoriaus variantų vaizdas, pašalinus gaubto segmentą, kad būtų parodytas interjeras. Balta sfera reiškia silicio dioksido apvalkalą, skylės yra poras. Ryškiai žalios sferos žymi katalizines vietas, kairėje esančios daug mažesnės nei dešinėje. Ilgesnės raudonos stygos žymi polimero grandines, o trumpesnės – produktai po katalizės. Visos trumpesnės stygos yra panašaus dydžio, o tai rodo nuoseklų selektyvumą tarp katalizatoriaus variacijų. Be to, mažesnėse katalizatoriaus vietose susidaro daugiau mažesnių grandinių, nes reakcija vyksta greičiau. Autorius: Vaizdas suteiktas Argonne nacionalinės laboratorijos, JAV Energetikos departamento
Plastiko perdirbimo technologijas tobulina neseniai sukurtas plastikų skaidymo katalizatorius. Ames laboratorijos mokslininkų vadovaujama mokslininkų komanda atrado pirmasis proceso neorganinis katalizatorius 2020 m. išskaidyti poliolefino plastiką į molekules, iš kurių būtų galima sukurti vertingesnius produktus. Dabar komanda sukūrė ir patvirtino strategiją, kaip paspartinti transformaciją neprarandant pageidaujamų produktų.
Katalizatorių iš pradžių sukūrė Ames laboratorijos mokslininkas Wenyu Huangas. Jį sudaro platinos dalelės, pritvirtintos ant kieto silicio dioksido šerdies ir apsuptos silicio dioksido apvalkalo su vienodomis poromis, kurios suteikia prieigą prie katalizinių vietų. Bendras reikalingas platinos kiekis yra gana mažas, o tai svarbu dėl didelės platinos kainos ir ribotos pasiūlos. Dekonstrukcijos eksperimentų metu ilgos polimero grandinės įsisuka į poras ir susisiekia su katalizinėmis vietomis, o tada grandinės suskaidomos į mažesnio dydžio gabalėlius, kurie nebėra plastikinė medžiaga (daugiau informacijos žr. paveikslėlyje aukščiau).
Pasak „Ames Lab“ mokslininko ir „Ames Lab“ direktoriaus Aarono Sadowo Bendradarbiavimo plastikų perdirbimo institutas (iCOUP), komanda sukūrė tris katalizatoriaus variantus. Kiekvienas variantas turėjo identiško dydžio šerdis ir porėtus apvalkalus, tačiau įvairaus platinos dalelių skersmens – nuo 1.7 iki 2.9 iki 5.0 nm.
Tyrėjai iškėlė hipotezę, kad platinos dalelių dydžio skirtumai turės įtakos produktų grandinių ilgiui, todėl didelės platinos dalelės sudarytų ilgesnes, o mažos – trumpesnes. Tačiau komanda išsiaiškino, kad visų trijų katalizatorių gaminių grandinių ilgiai buvo vienodi.
„Literatūroje selektyvumas anglies ir anglies jungties skilimo reakcijoms paprastai skiriasi priklausomai nuo platinos nanodalelių dydžio. Padėję platiną porų apačioje, pamatėme kažką gana unikalaus“, – sakė Sadow.
Vietoj to, greitis, kuriuo grandinės buvo suskaidytos į mažesnes molekules, skyrėsi trims katalizatoriams. Didesnės platinos dalelės su ilga polimero grandine reagavo lėčiau, o mažesnės – greičiau. Šis padidėjęs greitis gali atsirasti dėl didesnio kraštinių ir kampinių platinos vietų procento mažesnių nanodalelių paviršiuose. Šios vietos aktyviau skaido polimero grandinę nei platina, esanti dalelių paviršiuose.
Pasak Sadow, rezultatai yra svarbūs, nes jie rodo, kad aktyvumą galima reguliuoti nepriklausomai nuo šių reakcijų selektyvumo. „Dabar esame įsitikinę, kad galime sukurti aktyvesnį katalizatorių, kuris dar greičiau sukramtytų polimerą, naudojant katalizatoriaus struktūrinius parametrus, kad būtų galima nustatyti konkrečius produktų grandinės ilgius“, – sakė jis.
Huangas paaiškino, kad tokio tipo didesnių molekulių reaktyvumas poringuose katalizatoriuose apskritai nėra plačiai ištirtas. Taigi, tyrimas yra svarbus norint suprasti fundamentalųjį mokslą ir tai, kaip jis veikia perdirbant plastiką.
„Mums tikrai reikia toliau suprasti sistemą, nes kasdien vis dar mokomės naujų dalykų. Mes tiriame kitus parametrus, kuriuos galėtume suderinti, kad toliau padidintume gamybos tempą ir pakeistume produktų paskirstymą“, – sakė Huangas. „Taigi mūsų sąraše yra daug naujų dalykų, kuriuos mes laukiame.
Nuoroda: Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. LaPoin, Andreas M. Heydenas, Massimiliano Delferro, baronas Petersas, Aaronas D. Sadowas ir Wenyu Huangas, 23 m. vasario 2022 d. Amerikos chemijos draugijos leidinys.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
Tyrimą atliko Plastikų kooperatyvinio perdirbimo institutas (iCOUP), vadovaujamas Ames laboratorijos. iCOUP yra Energijos pasienio tyrimų centras, kurį sudaro mokslininkai iš Ames Laboratory, Argonne National Laboratory, UC Santa Barbara, Pietų Karolinos universitetas, Kornelio universitetas, Northwestern universitetasir Ilinojaus universitetas Urbana-Champaign.
