İç kısmı göstermek için kabuğun bir bölümünün çıkarıldığı, katalizörün iki varyasyonunun görseli. Beyaz küre silika kabuğunu temsil eder, delikler ise gözeneklerdir. Parlak yeşil küreler katalitik bölgeleri temsil ediyor; soldakiler sağdakilerden çok daha küçük. Daha uzun kırmızı şeritler polimer zincirlerini temsil eder ve daha kısa şeritler kataliz sonrası ürünlerdir. Daha kısa dizilerin tümü boyut olarak benzerdir ve bu, katalizör varyasyonları arasındaki tutarlı seçiciliği temsil eder. Ek olarak, reaksiyonun daha hızlı gerçekleşmesi nedeniyle daha küçük katalizör bölgeleri tarafından üretilen daha küçük zincirler vardır. Katkı Sağlayan: Resim Argonne Ulusal Laboratuvarı, ABD Enerji Bakanlığı'nın izniyle
Plastik ileri dönüşüm teknolojileri, plastiklerin parçalanması için yakın zamanda geliştirilen bir katalizörle geliştiriliyor. Ames Laboratuvarı bilim adamlarının liderliğindeki bir bilim insanı ekibi, ilk prosesif inorganik katalizör 2020'de poliolefin plastiklerin daha değerli ürünler oluşturmak için kullanılabilecek moleküllere dönüştürülmesi amaçlanıyor. Ekip artık arzu edilen ürünlerden ödün vermeden dönüşümü hızlandıracak bir strateji geliştirdi ve onayladı.
Katalizör ilk olarak Ames Laboratuvarı'ndan bir bilim adamı olan Wenyu Huang tarafından tasarlandı. Katı bir silika çekirdek üzerinde desteklenen ve katalitik bölgelere erişim sağlayan tek biçimli gözeneklere sahip bir silika kabukla çevrelenen platin parçacıklarından oluşur. İhtiyaç duyulan toplam platinin miktarı oldukça küçüktür ve bu, platinin yüksek maliyeti ve sınırlı arzı nedeniyle önemlidir. Yapısöküm deneyleri sırasında, uzun polimer zincirleri gözeneklerden geçerek katalitik bölgelere temas eder ve ardından zincirler artık plastik malzeme olmayan daha küçük boyutlu parçalara bölünür (daha fazla ayrıntı için yukarıdaki resme bakın).
Ames Laboratuvarı'ndan bilim adamı ve araştırma direktörü Aaron Sadow'a göre Plastiklerin Kooperatif İleri Dönüşümü Enstitüsü (iCOUP)Ekip, katalizörün üç varyasyonunu hazırladı. Her varyasyon aynı boyutta çekirdeklere ve gözenekli kabuklara sahipti, ancak platin parçacıklarının çapları 1.7 ila 2.9 ila 5.0 nm arasında değişiyordu.
Araştırmacılar, platin parçacık boyutundaki farklılıkların ürün zincirlerinin uzunluğunu etkileyeceğini, dolayısıyla büyük platin parçacıklarının daha uzun zincirler oluşturacağını, küçüklerin ise daha kısa zincirler oluşturacağını varsaydılar. Ancak ekip, ürün zincirlerinin uzunluğunun her üç katalizör için de aynı boyutta olduğunu keşfetti.
"Literatürde, karbon-karbon bağı bölünme reaksiyonlarının seçiciliği genellikle platin nanopartiküllerinin boyutuna göre değişir. Gözeneklerin altına platini yerleştirerek oldukça benzersiz bir şey gördük” dedi Sadow.
Bunun yerine zincirlerin daha küçük moleküllere ayrılma hızı üç katalizör için farklıydı. Daha büyük platin parçacıkları uzun polimer zinciriyle daha yavaş reaksiyona girerken, daha küçük olanlar daha hızlı reaksiyona girdi. Bu artan oran, daha küçük nanopartiküllerin yüzeylerindeki kenar ve köşe platin bölgelerinin yüzdesinin daha yüksek olmasından kaynaklanabilir. Bu bölgeler, polimer zincirini parçalamada parçacıkların yüzlerinde bulunan platinden daha aktiftir.
Sadow'a göre sonuçlar önemli çünkü bu reaksiyonlardaki seçicilikten bağımsız olarak aktivitenin ayarlanabileceğini gösteriyor. "Artık, belirli ürün zinciri uzunluklarını belirlemek için katalizör yapısal parametrelerini kullanırken, polimeri daha hızlı çiğneyecek daha aktif bir katalizör yapabileceğimizden eminiz" dedi.
Huang, gözenekli katalizörlerdeki bu tür daha büyük molekül reaktivitesinin genel olarak geniş çapta araştırılmadığını açıkladı. Dolayısıyla araştırma, temel bilimin yanı sıra plastiklerin ileri dönüşümünde nasıl performans gösterdiğini anlamak açısından da önemli.
“Sistemi gerçekten daha iyi anlamamız gerekiyor çünkü hâlâ her gün yeni şeyler öğreniyoruz. Üretim oranını daha da artırmak ve ürün dağıtımını değiştirmek için ayarlayabileceğimiz diğer parametreleri araştırıyoruz" dedi Huang. “Yani listemizde keşfetmemizi bekleyen pek çok yeni şey var.”
Referans: Xun Wu, Akalanka Tennakoon, Ryan Yappert, Michaela Esveld, Magali S. Ferrandon, Ryan A. Hackler, Anne M. LaPointe, Andreas tarafından "Poliolefinlerin Verimli ve Seçici Hidrojenolizine Yol Açan Mezo Gözenekli Bir Mimariye Gömülü Boyut Kontrollü Nanopartiküller" Heyden, Massimiliano Delferro, Baron Peters, Aaron D. Sadow ve Wenyu Huang, 23 Şubat 2022, Amerikan Kimya Derneği Dergisi.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
Araştırma, Ames Laboratuvarı liderliğindeki Plastiklerin İşbirliğine Dayalı İleri Dönüşüm Enstitüsü (iCOUP) tarafından yürütüldü. iCOUP, Ames Laboratuvarı, Argonne Ulusal Laboratuvarı, UC Santa Barbara, Güney Carolina Üniversitesi, Cornell Üniversitesi'nden bilim adamlarından oluşan bir Enerji Sınır Araştırma Merkezidir. Northwestern Üniversitesive Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi.
