Vizuál dvoch variácií katalyzátora s odstráneným segmentom plášťa, aby sa ukázal interiér. Biela guľa predstavuje škrupinu oxidu kremičitého, otvory sú póry. Jasne zelené gule predstavujú katalytické miesta, tie vľavo sú oveľa menšie ako tie vpravo. Dlhšie červené reťazce predstavujú polymérne reťazce a kratšie reťazce sú produkty po katalýze. Všetky kratšie reťazce majú podobnú veľkosť, čo predstavuje konzistentnú selektivitu naprieč variáciami katalyzátora. Okrem toho existuje viac menších reťazcov produkovaných menšími miestami katalyzátora, pretože reakcia prebieha rýchlejšie. Poďakovanie: Obrázok s láskavým dovolením Argonne National Laboratory, Ministerstvo energetiky USA
Technológie upcyklácie plastov sa zdokonaľujú vďaka nedávno vyvinutému katalyzátoru na rozklad plastov. Tím vedcov pod vedením vedcov z Ames Laboratory objavil prvý procesný anorganický katalyzátor v roku 2020 dekonštruovať polyolefínové plasty na molekuly, ktoré možno použiť na vytvorenie hodnotnejších produktov. Tím teraz vyvinul a overil stratégiu na urýchlenie transformácie bez obetovania žiaducich produktov.
Katalyzátor pôvodne navrhol Wenyu Huang, vedec z Ames Laboratory. Pozostáva z platinových častíc nesených na pevnom kremičitom jadre a obklopených kremičitým plášťom s jednotnými pórmi, ktoré poskytujú prístup ku katalytickým miestam. Celkové množstvo potrebnej platiny je pomerne malé, čo je dôležité z dôvodu vysokých nákladov platiny a obmedzených dodávok. Počas dekonštrukčných experimentov sa dlhé polymérne reťazce zasúvajú do pórov a kontaktujú katalytické miesta a potom sa reťazce rozbijú na menšie kúsky, ktoré už nie sú plastovým materiálom (ďalšie podrobnosti nájdete na obrázku vyššie).
Podľa Aarona Sadowa, vedca z Ames Lab a riaditeľa Inštitút pre kooperatívnu recykláciu plastov (iCOUP), tím vytvoril tri varianty katalyzátora. Každá variácia mala rovnako veľké jadrá a porézne obaly, ale rôzne priemery platinových častíc, od 1.7 do 2.9 do 5.0 nm.
Výskumníci predpokladali, že rozdiely vo veľkosti platinových častíc ovplyvnia dĺžky produktových reťazcov, takže veľké platinové častice by vytvorili dlhšie reťazce a malé častice kratšie. Tím však zistil, že dĺžky produktových reťazcov boli rovnaké pre všetky tri katalyzátory.
"V literatúre sa selektivita pre reakcie štiepenia väzby uhlík-uhlík zvyčajne mení s veľkosťou nanočastíc platiny. Umiestnením platiny na spodok pórov sme videli niečo celkom jedinečné,“ povedal Sadow.
Namiesto toho bola rýchlosť, ktorou sa reťazce lámali na menšie molekuly, pre tri katalyzátory odlišná. Väčšie častice platiny reagovali s dlhým polymérnym reťazcom pomalšie, zatiaľ čo menšie častice reagovali rýchlejšie. Táto zvýšená rýchlosť by mohla vyplývať z vyššieho percenta okrajových a rohových platinových miest na povrchoch menších nanočastíc. Tieto miesta sú aktívnejšie pri štiepení polymérneho reťazca ako platina nachádzajúca sa na čelných plochách častíc.
Podľa Sadowa sú výsledky dôležité, pretože ukazujú, že aktivitu je možné upraviť nezávisle od selektivity v týchto reakciách. "Teraz sme si istí, že dokážeme vyrobiť aktívnejší katalyzátor, ktorý by žuval polymér ešte rýchlejšie, pričom využíva štrukturálne parametre katalyzátora na nastavenie špecifických dĺžok produktového reťazca," povedal.
Huang vysvetlil, že tento typ väčšej molekulovej reaktivity v poréznych katalyzátoroch vo všeobecnosti nie je široko študovaný. Výskum je teda dôležitý pre pochopenie základnej vedy, ako aj toho, ako funguje pri recyklácii plastov.
„Skutočne potrebujeme ďalej porozumieť systému, pretože sa stále učíme nové veci každý deň. Skúmame ďalšie parametre, ktoré môžeme vyladiť, aby sme ďalej zvýšili rýchlosť výroby a posunuli distribúciu produktov,“ povedal Huang. "Takže v našom zozname je veľa nových vecí, ktoré na nás čakajú, kým ich objavíme."
Odkaz: „Veľkosťou kontrolované nanočastice vložené do mezoporéznej architektúry vedúcej k efektívnej a selektívnej hydrogenolýze polyolefínov“ od Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. Hackler, Anne M. LaPointe, Andreas Heyden, Massimiliano Delferro, barón Peters, Aaron D. Sadow a Wenyu Huang, 23. februára 2022, Journal of American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.1c11694
Výskum uskutočnil Inštitút pre kooperatívnu recykláciu plastov (iCOUP) pod vedením Ames Laboratory. iCOUP je výskumné centrum Energy Frontier Research Center pozostávajúce z vedcov z Ames Laboratory, Argonne National Laboratory, UC Santa Barbara, University of South Carolina, Cornell University, Northwestern Universitya University of Illinois Urbana-Champaign.
