Hình ảnh của hai biến thể của chất xúc tác, với một phần của vỏ được loại bỏ để hiển thị bên trong. Hình cầu màu trắng tượng trưng cho lớp vỏ silica, các lỗ là các lỗ xốp. Các quả cầu màu xanh lá cây tươi sáng đại diện cho các vị trí xúc tác, những quả cầu bên trái nhỏ hơn nhiều so với những quả cầu bên phải. Các dây dài hơn màu đỏ đại diện cho các chuỗi polyme, và các dây ngắn hơn là sản phẩm sau quá trình xúc tác. Tất cả các chuỗi ngắn hơn đều có kích thước tương tự nhau, thể hiện tính chọn lọc nhất quán qua các biến thể của chất xúc tác. Ngoài ra, có nhiều chuỗi nhỏ hơn được tạo ra bởi các vị trí xúc tác nhỏ hơn vì phản ứng xảy ra nhanh hơn. Tín dụng: Hình ảnh được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ
Công nghệ chiết xuất nhựa đang được cải tiến nhờ một chất xúc tác được phát triển gần đây để phân hủy nhựa. Một nhóm các nhà khoa học do các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Ames dẫn đầu đã phát hiện ra chất xúc tác vô cơ xử lý đầu tiên vào năm 2020 để giải cấu trúc nhựa polyolefin thành các phân tử có thể được sử dụng để tạo ra các sản phẩm có giá trị hơn. Hiện nhóm đã phát triển và xác thực chiến lược để tăng tốc độ chuyển đổi mà không phải hy sinh các sản phẩm mong muốn.
Chất xúc tác ban đầu được thiết kế bởi Wenyu Huang, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Ames. Nó bao gồm các hạt bạch kim được hỗ trợ trên lõi silica rắn và được bao quanh bởi một lớp vỏ silica với các lỗ rỗng đồng nhất giúp tiếp cận các vị trí xúc tác. Tổng lượng bạch kim cần thiết là khá nhỏ, điều này rất quan trọng vì giá thành của bạch kim cao và nguồn cung hạn chế. Trong các thí nghiệm giải cấu trúc, các chuỗi polyme dài luồn vào các lỗ rỗng và tiếp xúc với các vị trí xúc tác, sau đó các chuỗi bị phá vỡ thành các mảnh có kích thước nhỏ hơn không còn là vật liệu dẻo nữa (xem hình trên để biết thêm chi tiết).
Theo Aaron Sadow, một nhà khoa học tại Ames Lab và là giám đốc của Viện Hợp tác tái chế nhựa (iCOUP), nhóm nghiên cứu đã tạo ra ba biến thể của chất xúc tác. Mỗi biến thể có lõi và vỏ xốp có kích thước giống nhau, nhưng đường kính của các hạt bạch kim khác nhau, từ 1.7 đến 2.9 đến 5.0 nm.
Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng sự khác biệt về kích thước hạt bạch kim sẽ ảnh hưởng đến độ dài của chuỗi sản phẩm, vì vậy các hạt bạch kim lớn sẽ tạo ra chuỗi dài hơn và những hạt nhỏ sẽ tạo ra chuỗi ngắn hơn. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng độ dài của các chuỗi sản phẩm có cùng kích thước đối với cả ba chất xúc tác.
“Trong các tài liệu, độ chọn lọc đối với phản ứng phân cắt liên kết cacbon-cacbon thường thay đổi theo kích thước của các hạt nano bạch kim. Bằng cách đặt bạch kim ở dưới cùng của lỗ chân lông, chúng tôi đã thấy một thứ khá độc đáo, ”Sadow nói.
Thay vào đó, tốc độ các chuỗi bị phá vỡ thành các phân tử nhỏ hơn đối với ba chất xúc tác là khác nhau. Các hạt bạch kim lớn hơn phản ứng với chuỗi polyme dài chậm hơn trong khi các hạt nhỏ hơn phản ứng nhanh hơn. Tỷ lệ tăng này có thể là do tỷ lệ cao hơn các vị trí cạnh và góc của bạch kim trên bề mặt của các hạt nano nhỏ hơn. Các vị trí này hoạt động mạnh hơn trong việc phân cắt chuỗi polyme hơn so với bạch kim nằm trên bề mặt của các hạt.
Theo Sadow, kết quả rất quan trọng vì chúng cho thấy hoạt động có thể được điều chỉnh độc lập với tính chọn lọc trong các phản ứng này. Ông nói: “Giờ đây, chúng tôi tự tin rằng chúng tôi có thể tạo ra một chất xúc tác hoạt động hơn có thể nhai polyme nhanh hơn, đồng thời sử dụng các thông số cấu trúc chất xúc tác để quay theo độ dài chuỗi sản phẩm cụ thể.
Huang giải thích rằng loại phản ứng phân tử lớn hơn này trong chất xúc tác xốp nói chung không được nghiên cứu rộng rãi. Vì vậy, nghiên cứu này rất quan trọng để hiểu được khoa học cơ bản cũng như cách nó hoạt động để nâng cấp chất dẻo.
“Chúng tôi thực sự cần hiểu thêm về hệ thống vì chúng tôi vẫn đang học hỏi những điều mới mỗi ngày. Chúng tôi đang khám phá các thông số khác mà chúng tôi có thể điều chỉnh để tăng hơn nữa tốc độ sản xuất và chuyển hướng phân phối sản phẩm, ”Huang nói. “Vì vậy, có rất nhiều điều mới trong danh sách của chúng tôi đang chờ chúng tôi khám phá.”
Tham khảo: “Các hạt nano được kiểm soát kích thước được nhúng trong một kiến trúc Mesopourous dẫn đến quá trình thủy phân polyolefin có chọn lọc và hiệu quả” của 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 và Wenyu Huang, 23 tháng 2022 năm XNUMX, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Mỹ.
DOI: 10.1021 / jacs.1c11694
Nghiên cứu được thực hiện bởi Viện Hợp tác Nâng cấp Chất dẻo (iCOUP), đứng đầu là Phòng thí nghiệm Ames. iCOUP là Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng bao gồm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Ames, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, UC Santa Barbara, Đại học Nam Carolina, Đại học Cornell, Đại học Northwestern, và Đại học Illinois Urbana-Champaign.
