Vizual a două variante ale catalizatorului, cu un segment al carcasei îndepărtat pentru a arăta interiorul. Sfera albă reprezintă învelișul de silice, găurile sunt porii. Sferele de culoare verde strălucitor reprezintă locurile catalitice, cele din stânga sunt mult mai mici decât cele din dreapta. Corzile roșii mai lungi reprezintă lanțurile polimerice, iar șirurile mai scurte sunt produse după cataliză. Toate șirurile mai scurte au dimensiuni similare, reprezentând selectivitatea consecventă între variațiile catalizatorului. În plus, există mai multe lanțuri mai mici produse de situsurile mai mici ale catalizatorului, deoarece reacția are loc mai rapid. Credit: Imagine oferită de Argonne National Laboratory, Departamentul de Energie al SUA
Tehnologiile de reciclare a plasticului sunt avansate de un catalizator recent dezvoltat pentru descompunerea plasticului. O echipă de oameni de știință condusă de oamenii de știință de la Laboratorul Ames a descoperit primul catalizator anorganic procesiv în 2020 pentru a deconstrui materialele plastice poliolefine în molecule care pot fi folosite pentru a crea produse mai valoroase. Echipa a dezvoltat și validat acum o strategie pentru a accelera transformarea fără a sacrifica produsele dorite.
Catalizatorul a fost proiectat inițial de Wenyu Huang, un om de știință la Laboratorul Ames. Constă din particule de platină susținute pe un miez solid de silice și înconjurat de o înveliș de silice cu pori uniformi care oferă acces la locurile catalitice. Cantitatea totală de platină necesară este destul de mică, ceea ce este important din cauza costului ridicat al platinei și a aprovizionării limitate. În timpul experimentelor de deconstrucție, lanțurile lungi de polimer se îndreaptă în pori și contactează locurile catalitice, iar apoi lanțurile sunt rupte în bucăți de dimensiuni mai mici care nu mai sunt material plastic (vezi imaginea de mai sus pentru mai multe detalii).
Potrivit lui Aaron Sadow, om de știință la Ames Lab și director al Institutul pentru Upcycling Cooperative a Plasticului (iCOUP), echipa a creat trei variante ale catalizatorului. Fiecare variantă a avut miezuri de dimensiuni identice și învelișuri poroase, dar diametre diferite ale particulelor de platină, de la 1.7 la 2.9 la 5.0 nm.
Cercetătorii au emis ipoteza că diferențele în dimensiunea particulelor de platină ar afecta lungimile lanțurilor de produse, astfel încât particulele mari de platină ar face lanțuri mai lungi, iar cele mici ar face lanțuri mai scurte. Cu toate acestea, echipa a descoperit că lungimile lanțurilor de produse au aceeași dimensiune pentru toți cei trei catalizatori.
„În literatură, selectivitatea pentru reacțiile de scindare a legăturii carbon-carbon variază de obicei în funcție de dimensiunea nanoparticulelor de platină. Prin plasarea de platină în partea de jos a porilor, am văzut ceva destul de unic”, a spus Sadow.
În schimb, viteza cu care lanțurile au fost rupte în molecule mai mici a fost diferită pentru cei trei catalizatori. Particulele mai mari de platină au reacționat cu lanțul lung de polimeri mai lent, în timp ce cele mai mici au reacționat mai repede. Această rată crescută ar putea rezulta din procentul mai mare de locuri de platină de margine și colț de pe suprafețele nanoparticulelor mai mici. Aceste locuri sunt mai active în scindarea lanțului polimeric decât platina situată pe fețele particulelor.
Potrivit lui Sadow, rezultatele sunt importante deoarece arată că activitatea poate fi ajustată independent de selectivitatea acestor reacții. „Acum, suntem încrezători că putem face un catalizator mai activ care ar mesteca polimerul și mai repede, utilizând în același timp parametrii structurali ai catalizatorului pentru a selecta lungimi specifice ale lanțului de produse”, a spus el.
Huang a explicat că acest tip de reactivitate a moleculelor mai mari în catalizatorii poroși, în general, nu sunt studiate pe scară largă. Deci, cercetarea este importantă pentru înțelegerea științei fundamentale, precum și a modului în care funcționează pentru reciclarea materialelor plastice.
„Trebuie să înțelegem în continuare sistemul, deoarece încă învățăm lucruri noi în fiecare zi. Explorăm alți parametri pe care îi putem regla pentru a crește și mai mult rata de producție și a schimba distribuția produselor”, a spus Huang. „Așadar, există o mulțime de lucruri noi în lista noastră care așteaptă să le descoperim.”
Referință: „Nanoparticule controlate de dimensiune încorporate într-o arhitectură mezoporoasă care duce la hidrogenoliza eficientă și selectivă a poliolefinelor” de 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 și Wenyu Huang, 23 februarie 2022, Jurnalul American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
Cercetarea a fost realizată de Institutul pentru Upcycling Cooperative a Plasticului (iCOUP), condus de Laboratorul Ames. iCOUP este un Centru de Cercetare Energy Frontier format din oameni de știință de la Laboratorul Ames, Laboratorul Național Argonne, UC Santa Barbara, Universitatea din Carolina de Sud, Universitatea Cornell, Universitatea Northwestern, și Universitatea din Illinois Urbana-Champaign.
