Visuell av to varianter av katalysatoren, med et segment av skallet fjernet for å vise interiøret. Den hvite kulen representerer silikaskallet, hullene er porene. De lyse grønne kulene representerer de katalytiske stedene, de til venstre er mye mindre enn de til høyre. De lengre røde strengene representerer polymerkjedene, og de kortere strengene er produkter etter katalyse. Alle kortere strenger er like i størrelse, og representerer den konsekvente selektiviteten på tvers av katalysatorvariasjoner. I tillegg er det flere mindre kjeder produsert av de mindre katalysatorstedene fordi reaksjonen skjer raskere. Kreditt: Bilde fra Argonne National Laboratory, US Department of Energy
Teknologier for resirkulering av plast utvikles av en nylig utviklet katalysator for å bryte ned plast. Et team av forskere ledet av Ames Laboratory-forskere oppdaget første prosessive uorganiske katalysator i 2020 for å dekonstruere polyolefinplast til molekyler som kan brukes til å lage mer verdifulle produkter. Teamet har nå utviklet og validert en strategi for å fremskynde transformasjonen uten å ofre ønskelige produkter.
Katalysatoren ble opprinnelig designet av Wenyu Huang, en forsker ved Ames Laboratory. Den består av platinapartikler støttet på en solid silikakjerne og omgitt av et silikaskall med jevne porer som gir tilgang til katalytiske steder. Den totale mengden platina som trengs er ganske liten, noe som er viktig på grunn av platinas høye kostnader og begrensede forsyning. Under dekonstruksjonseksperimenter trer de lange polymerkjedene inn i porene og kommer i kontakt med de katalytiske stedene, og deretter brytes kjedene i mindre biter som ikke lenger er plastmateriale (se bildet ovenfor for flere detaljer).
I følge Aaron Sadow, en vitenskapsmann ved Ames Lab og direktør for Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), laget laget tre varianter av katalysatoren. Hver variant hadde identisk størrelse kjerner og porøse skall, men varierende diametre av platinapartikler, fra 1.7 til 2.9 til 5.0 nm.
Forskerne antok at forskjellene i platinapartikkelstørrelse ville påvirke lengden på produktkjedene, så store platinapartikler ville lage lengre kjeder og små ville lage kortere kjeder. Imidlertid oppdaget teamet at lengdene på produktkjedene var like store for alle tre katalysatorene.
"I litteraturen varierer selektiviteten for karbon-karbonbindingsspaltningsreaksjoner vanligvis med størrelsen på platinananopartiklene. Ved å plassere platina i bunnen av porene, så vi noe ganske unikt, sa Sadow.
I stedet var hastigheten som kjedene ble brutt med i mindre molekyler forskjellig for de tre katalysatorene. De større platinapartiklene reagerte langsommere med den lange polymerkjeden, mens de mindre reagerte raskere. Denne økte hastigheten kan skyldes den høyere prosentandelen av kant- og hjørneplatinasteder på overflatene til de mindre nanopartikler. Disse stedene er mer aktive når det gjelder å spalte polymerkjeden enn platina som ligger i partiklenes overflater.
Ifølge Sadow er resultatene viktige fordi de viser at aktiviteten kan justeres uavhengig av selektiviteten i disse reaksjonene. "Nå er vi sikre på at vi kan lage en mer aktiv katalysator som vil tygge opp polymeren enda raskere, samtidig som vi bruker katalysatorens strukturelle parametere for å angi spesifikke produktkjedelengder," sa han.
Huang forklarte at denne typen større molekylreaktivitet i porøse katalysatorer generelt ikke er mye studert. Så forskningen er viktig for å forstå den grunnleggende vitenskapen så vel som hvordan den fungerer for resirkulering av plast.
"Vi trenger virkelig å forstå systemet ytterligere fordi vi fortsatt lærer nye ting hver dag. Vi utforsker andre parametere som vi kan justere for å øke produksjonshastigheten ytterligere og endre produktdistribusjonen, sa Huang. "Så det er mange nye ting på listen vår som venter på at vi skal oppdage."
Referanse: "Størrelseskontrollerte nanopartikler innebygd i en mesoporøs arkitektur som fører til effektiv og selektiv hydrogenolyse av polyolefiner" av 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. februar 2022, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
Forskningen ble utført av Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), ledet av Ames Laboratory. iCOUP er et Energy Frontier Research Center som består av forskere fra Ames Laboratory, Argonne National Laboratory, UC Santa Barbara, University of South Carolina, Cornell University, Northwestern University, og University of Illinois Urbana-Champaign.
