Visual dua variasi pemangkin, dengan segmen cangkerang dikeluarkan untuk menunjukkan bahagian dalam. Sfera putih mewakili cangkang silika, lubang adalah liang. Sfera hijau terang mewakili tapak pemangkin, yang di sebelah kiri jauh lebih kecil daripada yang di sebelah kanan. Tali merah yang lebih panjang mewakili rantai polimer, dan rentetan yang lebih pendek adalah produk selepas pemangkinan. Semua rentetan yang lebih pendek adalah serupa dalam saiz, mewakili selektiviti yang konsisten merentas variasi pemangkin. Selain itu, terdapat lebih banyak rantai yang lebih kecil yang dihasilkan oleh tapak mangkin yang lebih kecil kerana tindak balas berlaku lebih cepat. Kredit: Imej ihsan Argonne National Laboratory, Jabatan Tenaga AS
Teknologi kitar semula plastik sedang dimajukan oleh pemangkin yang dibangunkan baru-baru ini untuk memecahkan plastik. Pasukan saintis yang diketuai oleh saintis Makmal Ames menemui pemangkin bukan organik proses pertama pada tahun 2020 untuk menyahbina plastik poliolefin kepada molekul yang boleh digunakan untuk mencipta produk yang lebih berharga. Pasukan itu kini telah membangunkan dan mengesahkan strategi untuk mempercepatkan transformasi tanpa mengorbankan produk yang diingini.
Pemangkin pada asalnya direka oleh Wenyu Huang, seorang saintis di Makmal Ames. Ia terdiri daripada zarah platinum yang disokong pada teras silika pepejal dan dikelilingi oleh cangkerang silika dengan liang seragam yang menyediakan akses kepada tapak pemangkin. Jumlah platinum yang diperlukan agak kecil, yang penting kerana kos platinum yang tinggi dan bekalan yang terhad. Semasa eksperimen penyahbinaan, rantai polimer panjang berulir ke dalam liang dan menghubungi tapak pemangkin, dan kemudian rantai dipecahkan kepada kepingan bersaiz lebih kecil yang bukan lagi bahan plastik (lihat imej di atas untuk butiran lanjut).
Menurut Aaron Sadow, seorang saintis di Ames Lab dan pengarah Institut Kitar Besar Koperasi Plastik (iCOUP), pasukan itu mencipta tiga variasi pemangkin. Setiap variasi mempunyai teras bersaiz yang sama dan cangkerang berliang, tetapi diameter zarah platinum yang berbeza-beza, dari 1.7 hingga 2.9 hingga 5.0 nm.
Para penyelidik membuat hipotesis bahawa perbezaan dalam saiz zarah platinum akan mempengaruhi panjang rantai produk, jadi zarah platinum yang besar akan membuat rantai yang lebih panjang dan yang kecil akan membuat rantai yang lebih pendek. Walau bagaimanapun, pasukan mendapati bahawa panjang rantai produk adalah saiz yang sama untuk ketiga-tiga pemangkin.
"Dalam kesusasteraan, selektiviti untuk tindak balas pembelahan ikatan karbon-karbon biasanya berbeza dengan saiz nanopartikel platinum. Dengan meletakkan platinum di bahagian bawah liang, kami melihat sesuatu yang agak unik,” kata Sadow.
Sebaliknya, kadar di mana rantai dipecahkan kepada molekul yang lebih kecil adalah berbeza untuk tiga pemangkin. Zarah platinum yang lebih besar bertindak balas dengan rantai polimer yang panjang dengan lebih perlahan manakala yang lebih kecil bertindak balas dengan lebih cepat. Kadar peningkatan ini boleh disebabkan oleh peratusan tapak platinum tepi dan sudut yang lebih tinggi pada permukaan zarah nano yang lebih kecil. Tapak ini lebih aktif dalam membelah rantai polimer daripada platinum yang terletak di muka zarah.
Menurut Sadow, keputusan adalah penting kerana ia menunjukkan bahawa aktiviti boleh diselaraskan secara bebas daripada selektiviti dalam tindak balas ini. "Kini, kami yakin kami boleh membuat pemangkin yang lebih aktif yang akan mengunyah polimer dengan lebih pantas, sambil menggunakan parameter struktur pemangkin untuk mendail dalam panjang rantai produk tertentu," katanya.
Huang menjelaskan bahawa jenis kereaktifan molekul yang lebih besar ini dalam mangkin berliang secara umum tidak dikaji secara meluas. Oleh itu, penyelidikan adalah penting untuk memahami sains asas serta bagaimana ia berfungsi untuk kitar semula plastik.
“Kami benar-benar perlu memahami sistem ini kerana kami masih mempelajari perkara baharu setiap hari. Kami sedang meneroka parameter lain yang boleh kami sesuaikan untuk meningkatkan lagi kadar pengeluaran dan mengalihkan pengedaran produk,” kata Huang. "Jadi, terdapat banyak perkara baharu dalam senarai kami yang menunggu untuk kami temui."
Rujukan: "Nanozarah Terkawal Saiz Terbenam dalam Seni Bina Mesoporus yang Membawa kepada Hidrogenolisis Poliolefin yang Cekap 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, Jurnal Persatuan Kimia Amerika.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
Penyelidikan itu dijalankan oleh Institut Kitar Dahulu Koperasi Plastik (iCOUP), yang diketuai oleh Makmal Ames. iCOUP ialah Pusat Penyelidikan Frontier Tenaga yang terdiri daripada saintis dari Makmal Ames, Makmal Kebangsaan Argonne, UC Santa Barbara, Universiti Carolina Selatan, Universiti Cornell, Universiti Northwestern, dan Universiti Illinois Urbana-Champaign.
