Визуальное изображение двух вариантов катализатора с удаленным сегментом оболочки, чтобы показать внутреннюю часть. Белая сфера представляет собой кремнеземную оболочку, отверстия — поры. Ярко-зеленые сферы представляют каталитические центры, те, что слева, намного меньше тех, что справа. Более длинные красные нити представляют полимерные цепи, а более короткие – продукты после катализа. Все более короткие цепочки имеют одинаковый размер, что отражает постоянную селективность при различных вариантах катализатора. Кроме того, на меньших участках катализатора образуется больше меньших цепочек, потому что реакция протекает быстрее. Предоставлено: Изображение предоставлено Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США.
Технологии вторичной переработки пластика совершенствуются благодаря недавно разработанному катализатору для разрушения пластика. Группа ученых во главе с учеными Лаборатории Эймса обнаружила первый технологический неорганический катализатор в 2020 году, чтобы разобрать полиолефиновые пластики на молекулы, которые можно использовать для создания более ценных продуктов. Сейчас команда разработала и утвердила стратегию ускорения преобразования без ущерба для желаемых продуктов.
Катализатор был первоначально разработан Венью Хуаном, ученым из лаборатории Эймса. Он состоит из частиц платины, закрепленных на твердом ядре из кремнезема и окруженных оболочкой из кремнезема с однородными порами, обеспечивающими доступ к каталитическим центрам. Общее количество необходимой платины довольно мало, что важно из-за высокой стоимости платины и ограниченного предложения. Во время экспериментов по деконструкции длинные полимерные цепи проникают в поры и контактируют с каталитическими центрами, а затем цепи разбиваются на кусочки меньшего размера, которые больше не являются пластиковым материалом (более подробную информацию см. На изображении выше).
По словам Аарона Садоу, ученого из лаборатории Эймса и директора Институт совместной переработки пластмасс (iCOUP), команда создала три варианта катализатора. Каждый вариант имел ядра и пористые оболочки одинакового размера, но разные диаметры частиц платины: от 1.7 до 2.9 и до 5.0 нм.
Исследователи предположили, что различия в размере частиц платины повлияют на длину цепочек продуктов, поэтому крупные частицы платины будут образовывать более длинные цепочки, а мелкие — более короткие. Однако команда обнаружила, что длина производственных цепочек была одинаковой для всех трех катализаторов.
«В литературе селективность реакций разрыва углерод-углеродных связей обычно зависит от размера наночастиц платины. Поместив платину на дно пор, мы увидели нечто совершенно уникальное», — сказал Садоу.
Вместо этого скорость, с которой цепи разбивались на более мелкие молекулы, была разной для трех катализаторов. Более крупные частицы платины реагировали с длинной полимерной цепью медленнее, а более мелкие — быстрее. Эта повышенная скорость может быть результатом более высокого процента краевых и угловых платиновых участков на поверхности меньших наночастиц. Эти центры более активно расщепляют полимерную цепь, чем платина, расположенная на гранях частиц.
Согласно Садоу, результаты важны, поскольку они показывают, что активность в этих реакциях можно регулировать независимо от селективности. «Теперь мы уверены, что сможем создать более активный катализатор, который будет разлагать полимер еще быстрее, используя при этом структурные параметры катализатора для выбора определенной длины цепи продукта», — сказал он.
Хуанг объяснил, что этот тип большей реакционной способности молекул в пористых катализаторах в целом мало изучен. Таким образом, исследование важно для понимания фундаментальной науки, а также того, как она работает для вторичной переработки пластмасс.
«Нам действительно нужно лучше понять систему, потому что мы все еще изучаем новые вещи каждый день. Мы изучаем другие параметры, которые мы можем настроить для дальнейшего увеличения производительности и изменения распределения продукции», — сказал Хуанг. «Итак, в нашем списке есть много новых вещей, которые ждут, чтобы мы их открыли».
Ссылка: «Наночастицы контролируемого размера, встроенные в мезопористую архитектуру, ведущие к эффективному и селективному гидрогенолизу полиолефинов» Сюнь Ву, Акаланка Теннакун, Райан Япперт, Микаэла Эсвельд, Магали С. Феррандон, Райан А. Хаклер, Энн М. ЛаПойнт, Андреас Хейден, Массимилиано Дельферро, барон Питерс, Аарон Д. Садоу и Венью Хуан, 23 февраля 2022 г., Журнал Американского химического общества.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
Исследование было проведено Институтом совместной переработки пластмасс (iCOUP) под руководством лаборатории Эймса. iCOUP — исследовательский центр Energy Frontier, состоящий из ученых из лаборатории Эймса, Аргоннской национальной лаборатории, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Университета Южной Каролины, Корнельского университета, Северо-Западного университетаи Иллинойсский университет Урбана-Шампейн.
