Plastic upcycling:Fra affald til brændstof for mindre

En plastgenbrugsinnovation, der gør mere med mindre, præsenteret i dag på efterårsmødet i American Chemical Society i Chicago, øger samtidig konverteringen til nyttige produkter, mens der bruges mindre af det ædle metal ruthenium.

"Den vigtigste opdagelse, vi rapporterer, er den meget lave metalbelastning," sagde Pacific Northwest National Laboratory-kemiker Janos Szanyi, der ledede forskerholdet. "Dette gør katalysatoren meget billigere."

Den nye metode omdanner plastik mere effektivt til værdifulde råvarekemikalier - en proces, der kaldes "upcycling". Derudover producerer det meget mindre metan, en uønsket drivhusgas, som et biprodukt sammenlignet med andre rapporterede metoder.

"Det var meget interessant for os, at der ikke tidligere havde været offentliggjort noget, der viste dette resultat," sagde postdoc-forsker Linxiao Chen, som præsenterede forskningen på ACS. "Denne forskning viser muligheden for at udvikle effektive, selektive og alsidige katalysatorer til plast upcycling."

Mindre metal er mere i plast-upcycling

Petroleumsbaseret plastaffald udgør en uudnyttet kilde til kulstofbaserede kemikalier, der kan tjene som udgangsmateriale for nyttige holdbare materialer og brændstoffer. Meget lidt plast genanvendes i øjeblikket, primært af økonomiske og praktiske årsager. Men PNNL-forskere forsøger at ændre dynamikken ved at anvende deres ekspertise til effektivt at bryde kemiske bindinger.

Det er velkendt, at tilsætning af brint - en reaktion kendt som hydrogenolyse - til svært genanvendelig plast som polypropylen og polyethylen præsenterer en lovende strategi til at omdanne plastaffald til små kulbrinter med værditilvækst. Denne proces kræver effektive og selektive katalysatorer for at gøre den økonomisk gennemførlig.

Det var her denne nylige PNNL-ledede forskning udmærkede sig.

Forskerholdet opdagede, at en reduktion af mængden af ​​ædelmetallet ruthenium faktisk forbedrede polymerens upcycling-effektivitet og selektivitet. I en undersøgelse for nylig offentliggjort i ACS Catalysis , viste de, at forbedringen i effektivitet skete, når det lave forhold mellem metal og støttestruktur fik strukturen til at skifte fra en ordnet række af partikler til uordnede atomer.

Fangede atomer

En track record af PNNL-ekspertise inden for enkeltatom-katalysatorer hjalp teamet med at forstå, hvorfor mindre er mere. Forskerholdet observerede overgangen til uorden på molekylært niveau og brugte derefter etableret teori til at vise, at enkelte atomer faktisk er mere effektive katalysatorer i dette eksperimentelle arbejde.

Arbejdet bygger på forskning i atomfangst og enkeltatom-katalysatorer udført af Yong Wang, professor i kemiteknik ved Washington State University, Pullman og en PNNL Laboratory-stipendiat.

"Der har været en stor indsats fra et materielt perspektiv for at forsøge at forstå, hvordan enkelte atomer eller meget små klynger kan lave effektive katalysatorer," sagde Gutiérrez.

Hos ACS beskrev Chen også nyt arbejde, der udforsker støttematerialets rolle i at forbedre effektiviteten af ​​systemet.

"Vi har undersøgt billigere og lettere tilgængelige støttematerialer til at erstatte ceriumoxid," sagde Chen. "Vi fandt ud af, at et kemisk modificeret titaniumoxid kan muliggøre en mere effektiv og selektiv vej til polypropylen-upcycling."

Lær, hvordan man tolererer klor

For at gøre metoden praktisk til brug med blandede plastgenbrugsstrømme, undersøger forskerholdet nu, hvordan tilstedeværelsen af ​​klor påvirker effektiviteten af ​​den kemiske omdannelse.

"Vi undersøger mere krævende ekstraktionsforhold," sagde kemiker Oliver Y. Gutiérrez, en ekspert i industrielle applikationer til katalyse. "Når du ikke har en ren plastikkilde, har du i en industriel upcycling-proces klor fra polyvinylchlorid og andre kilder. Klor kan forurene plast-upcycling-reaktionen. Vi vil gerne forstå, hvilken effekt klor har på vores system."

Nu kan den grundlæggende forståelse hjælpe med at omdanne affaldsplastik, der normalt ville ende som forurening i miljøet, til nyttige produkter. + Udforsk yderligere

Den mest direkte vej til plast-upcycling er at designe polymerer specifikt til genbrug