Vizualni prikaz dveh različic katalizatorja z odstranjenim segmentom lupine, ki prikazuje notranjost. Bela krogla predstavlja silicijevo lupino, luknje so pore. Svetlo zelene krogle predstavljajo katalitična mesta, tiste na levi so veliko manjše od tistih na desni. Daljše rdeče strune predstavljajo polimerne verige, krajše pa so produkti po katalizi. Vse krajše strune so podobne velikosti, kar predstavlja dosledno selektivnost med različicami katalizatorja. Poleg tega je več manjših verig, ki jih proizvajajo manjša mesta katalizatorja, ker reakcija poteka hitreje. Zasluge: Slika z dovoljenjem Argonne National Laboratory, Ministrstvo za energijo ZDA
Pred kratkim razvit katalizator za razgradnjo plastike napreduje tehnologije ponovnega recikliranja plastike. Skupina znanstvenikov, ki jih vodijo znanstveniki iz laboratorija Ames, je odkrila prvi procesivni anorganski katalizator leta 2020 razgraditi poliolefinsko plastiko v molekule, ki jih je mogoče uporabiti za ustvarjanje vrednejših izdelkov. Ekipa je zdaj razvila in potrdila strategijo za pospešitev preobrazbe brez žrtvovanja zaželenih izdelkov.
Katalizator je prvotno zasnoval Wenyu Huang, znanstvenik iz laboratorija Ames. Sestavljen je iz delcev platine, ki so podprti na trdnem silicijevem jedru in obdani s silicijevo lupino z enotnimi porami, ki omogočajo dostop do katalitičnih mest. Skupna potrebna količina platine je precej majhna, kar je pomembno zaradi visokih stroškov in omejene ponudbe platine. Med poskusi dekonstrukcije se dolge polimerne verige navijejo v pore in pridejo v stik s katalitičnimi mesti, nato pa se verige razbijejo na manjše kose, ki niso več plastični material (za več podrobnosti glej sliko zgoraj).
Po besedah Aarona Sadowa, znanstvenika v laboratoriju Ames in direktorja Inštitut za kooperativno predelavo plastike (iCOUP), je ekipa izdelala tri različice katalizatorja. Vsaka različica je imela enako velika jedra in porozne lupine, vendar različne premere delcev platine, od 1.7 do 2.9 do 5.0 nm.
Raziskovalci so domnevali, da bi razlike v velikosti delcev platine vplivale na dolžino proizvodnih verig, zato bi veliki delci platine naredili daljše verige, majhni pa krajše verige. Vendar je ekipa odkrila, da so bile dolžine proizvodnih verig enake velikosti za vse tri katalizatorje.
"V literaturi se selektivnost za reakcije cepitve vezi ogljik-ogljik običajno razlikuje glede na velikost nanodelcev platine. Z namestitvijo platine na dno por smo videli nekaj povsem edinstvenega,« je dejal Sadow.
Namesto tega je bila hitrost, s katero so bile verige razdrobljene na manjše molekule, različna za tri katalizatorje. Večji delci platine so z dolgo polimerno verigo reagirali počasneje, manjši pa hitreje. Ta povečana stopnja je lahko posledica višjega odstotka platinastih mest na robovih in kotih na površinah manjših nanodelcev. Ta mesta so bolj aktivna pri cepljenju polimerne verige kot platina, ki se nahaja na ploskvah delcev.
Po mnenju Sadowa so rezultati pomembni, ker kažejo, da je aktivnost mogoče prilagoditi neodvisno od selektivnosti v teh reakcijah. "Zdaj smo prepričani, da lahko naredimo bolj aktiven katalizator, ki bi še hitreje prežvečil polimer, hkrati pa uporabljal strukturne parametre katalizatorja za določanje določenih dolžin verige izdelkov," je dejal.
Huang je pojasnil, da ta vrsta reaktivnosti večjih molekul v poroznih katalizatorjih na splošno ni široko raziskana. Raziskave so torej pomembne za razumevanje temeljne znanosti, pa tudi, kako deluje pri recikliranju plastike.
»Resnično moramo dodatno razumeti sistem, ker se še vedno vsak dan učimo novih stvari. Raziskujemo druge parametre, ki jih lahko prilagodimo, da bi dodatno povečali stopnjo proizvodnje in premaknili distribucijo izdelkov,« je dejal Huang. "Na našem seznamu je torej veliko novih stvari, ki čakajo, da jih odkrijemo."
Referenca: »Nanodelci z nadzorovano velikostjo, vgrajeni v mezoporozno arhitekturo, ki vodi do učinkovite in selektivne hidrogenolize poliolefinov« avtorja Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. Hackler, Andre M. Hackler, Ante Anne Heyden, Massimiliano Delferro, baron Peters, Aaron D. Sadow in Wenyu Huang, 23. februar 2022, Journal of American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
Raziskavo je opravil Inštitut za kooperativno predelavo plastike (iCOUP), ki ga vodi Ames Laboratory. iCOUP je raziskovalno središče Energy Frontier, ki ga sestavljajo znanstveniki iz laboratorija Ames, nacionalnega laboratorija Argonne, UC Santa Barbara, Univerze Južne Karoline, Univerze Cornell, Northwestern Universityin Univerza Illinois Urbana-Champaign.
