Divu katalizatora variantu vizuāls attēls ar noņemtu apvalka segmentu, lai parādītu interjeru. Baltā sfēra apzīmē silīcija dioksīda apvalku, caurumi ir poras. Spilgti zaļās sfēras attēlo katalītiskās vietas, kreisās ir daudz mazākas nekā labajā pusē esošās. Garākās sarkanās virknes apzīmē polimēru ķēdes, un īsākās virknes ir produkti pēc katalīzes. Visas īsākas virknes ir līdzīga izmēra, kas atspoguļo konsekventu selektivitāti starp katalizatora variācijām. Turklāt mazākās katalizatora vietās ir vairāk mazāku ķēžu, jo reakcija notiek ātrāk. Kredīts: attēls ar ASV Enerģētikas departamenta Argonne Nacionālās laboratorijas pieklājību
Plastmasas pārstrādes tehnoloģijas pilnveido nesen izstrādāts plastmasas sadalīšanas katalizators. Zinātnieku komanda, kuru vadīja Eimsa laboratorijas zinātnieki, atklāja pirmais tehnoloģiskais neorganiskais katalizators 2020. gadā dekonstruēt poliolefīna plastmasu molekulās, kuras var izmantot vērtīgāku produktu radīšanai. Komanda tagad ir izstrādājusi un apstiprinājusi stratēģiju, lai paātrinātu transformāciju, neupurējot vēlamos produktus.
Katalizatoru sākotnēji izstrādāja Wenyu Huang, Eimsas laboratorijas zinātnieks. Tas sastāv no platīna daļiņām, kas atrodas uz cieta silīcija dioksīda kodola un ko ieskauj silīcija dioksīda apvalks ar vienādām porām, kas nodrošina piekļuvi katalītiskajām vietām. Kopējais nepieciešamais platīna daudzums ir diezgan mazs, kas ir svarīgi platīna augsto izmaksu un ierobežotā piedāvājuma dēļ. Dekonstrukcijas eksperimentu laikā garās polimēru ķēdes iegriežas porās un saskaras ar katalītiskajām vietām, un pēc tam ķēdes tiek sadalītas mazākos gabalos, kas vairs nav plastmasas materiāls (sīkāku informāciju skatiet attēlā iepriekš).
Pēc Ames Lab zinātnieka un direktora Ārona Sado teiktā Plastmasas kooperatīvās pārstrādes institūts (iCOUP), komanda izstrādāja trīs katalizatora variantus. Katrai variācijai bija identiska izmēra serdeņi un poraini apvalki, bet dažādi platīna daļiņu diametri no 1.7 līdz 2.9 līdz 5.0 nm.
Pētnieki izvirzīja hipotēzi, ka platīna daļiņu lieluma atšķirības ietekmēs produktu ķēžu garumus, tāpēc lielas platīna daļiņas veidotu garākas ķēdes, bet mazās - īsākas ķēdes. Tomēr komanda atklāja, ka produktu ķēžu garums bija vienāds visiem trim katalizatoriem.
"Literatūrā selektivitāte oglekļa-oglekļa saites šķelšanās reakcijām parasti mainās atkarībā no platīna nanodaļiņu izmēra. Ievietojot platīnu poru apakšā, mēs ieraudzījām kaut ko pavisam unikālu,” sacīja Sadovs.
Tā vietā ātrums, ar kādu ķēdes tika sadalītas mazākās molekulās, trim katalizatoriem bija atšķirīgs. Lielākās platīna daļiņas reaģēja ar garo polimēru ķēdi lēnāk, bet mazākās - ātrāk. Šo palielināto ātrumu varētu izraisīt lielāks malu un stūru platīna vietu procentuālais daudzums uz mazāko nanodaļiņu virsmām. Šīs vietas aktīvāk sadala polimēru ķēdi nekā platīns, kas atrodas daļiņu virspusē.
Pēc Sadow teiktā, rezultāti ir svarīgi, jo tie parāda, ka aktivitāti var pielāgot neatkarīgi no selektivitātes šajās reakcijās. "Tagad mēs esam pārliecināti, ka varam izveidot aktīvāku katalizatoru, kas vēl ātrāk sakošļātu polimēru, vienlaikus izmantojot katalizatora strukturālos parametrus, lai iestatītu konkrētu produktu ķēdes garumu," viņš teica.
Huangs paskaidroja, ka šāda veida lielāku molekulu reaktivitāte porainos katalizatoros kopumā nav plaši pētīta. Tātad pētījums ir svarīgs, lai izprastu fundamentālo zinātni, kā arī to, kā tā darbojas plastmasas pārstrādē.
“Mums tiešām ir vairāk jāizprot sistēma, jo mēs joprojām katru dienu apgūstam jaunas lietas. Mēs pētām citus parametrus, kurus varam pielāgot, lai vēl vairāk palielinātu ražošanas ātrumu un mainītu produktu izplatīšanu," sacīja Huangs. "Tātad mūsu sarakstā ir daudz jaunu lietu, kas gaida, lai mēs to atklātu."
Atsauce: Sjuns Vu, Akalanka Tennakoon, Raiens Japerts, Mihaela Esvelda, Magali S. Ferrandons, Raiens A. LaPoins, Andreass M. Raiens A. LaPoins, “Mezoporu arhitektūrā iegultas ar izmēru kontrolētas nanodaļiņas, kas nodrošina efektīvu un selektīvu poliolefīnu hidrogenolīzi. Heidens, Masimiliano Delferro, barons Pīterss, Ārons D. Sadovs un Venju Huans, 23. gada 2022. februāris, American Chemical Society publikācija.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
Pētījumu veica Plastmasas kooperatīvās pārstrādes institūts (iCOUP), kuru vadīja Ames laboratorija. iCOUP ir Enerģētikas robežu pētniecības centrs, kurā ir zinātnieki no Eimsas laboratorijas, Argonnas Nacionālās laboratorijas, UC Santa Barbara, Dienvidkarolīnas Universitāte, Kornela universitāte, Ziemeļrietumu universitāteun Ilinoisas Universitātes Urbana-Champaign.
