En unik katalysator baner vejen for plast-upcycling

En nyligt udviklet katalysator til nedbrydning af plast fortsætter med at fremme plast-upcycling-processer. I 2020 udviklede et team af forskere ledet af Ames Laboratory-forskere den første processive uorganiske katalysator til at dekonstruere polyolefinplast til molekyler, der kan bruges til at skabe mere værdifulde produkter. Nu har teamet udviklet og valideret en strategi til at fremskynde transformationen uden at ofre ønskværdige produkter.

Katalysatoren blev oprindeligt designet af Wenyu Huang, en videnskabsmand ved Ames Lab. Den består af platinpartikler understøttet på en solid silicakerne og omgivet af en silicaskal med ensartede porer, der giver adgang til katalytiske steder. Den samlede mængde platin, der er nødvendig, er ret lille, hvilket er vigtigt på grund af platins høje omkostninger og begrænsede udbud. Under dekonstruktionseksperimenter trænger de lange polymerkæder ind i porerne og kommer i kontakt med de katalytiske steder, og derefter brydes kæderne i mindre stykker, som ikke længere er plastmateriale (se billedet for flere detaljer).

Aaron Sadow, en videnskabsmand ved Ames Lab og direktør for Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), forklarede, at holdet lavede tre varianter af katalysatoren. Hver variation havde identisk størrelse kerner og porøse skaller, men forskellige diametre af platinpartikler, fra 1,7 til 2,9 til 5,0 nm.

Holdet antog, at forskellene i platinpartikelstørrelse ville påvirke længderne af produktkæderne, så store platinpartikler ville lave længere kæder og små ville lave kortere kæder. Men gruppen opdagede, at længderne af produktkæderne var lige store for alle tre katalysatorer.

"I litteraturen varierer selektiviteten for carbon-carbon-bindings-spaltningsreaktioner normalt med størrelsen af ​​platinnanopartiklerne. Ved at placere platin i bunden af ​​porerne så vi noget helt unikt," sagde Sadow.

I stedet var hastigheden, hvormed kæderne blev brudt i mindre molekyler, forskellig for de tre katalysatorer. De større platinpartikler reagerede langsommere med den lange polymerkæde, mens de mindre reagerede hurtigere. Denne øgede hastighed kunne skyldes den højere procentdel af kant- og hjørneplatinsteder på overfladerne af de mindre nanopartikler. Disse steder er mere aktive til at spalte polymerkæden end platinet placeret i partiklernes overflader.

Ifølge Sadow er resultaterne vigtige, fordi de viser, at aktiviteten kan justeres uafhængigt af selektiviteten i disse reaktioner. "Nu er vi overbeviste om, at vi kan lave en mere aktiv katalysator, der ville tygge polymeren endnu hurtigere op, mens vi bruger katalysatorens strukturelle parametre til at indstille specifikke produktkædelængder," sagde han.

Huang forklarede, at denne type større molekylereaktivitet i porøse katalysatorer generelt ikke er meget undersøgt. Så forskningen er vigtig for at forstå den grundlæggende videnskab, samt hvordan den yder til upcycling af plast.

"Vi har virkelig brug for at forstå systemet yderligere, fordi vi stadig lærer nye ting hver dag. Vi udforsker andre parametre, som vi kan justere for yderligere at øge produktionshastigheden og flytte produktdistributionen," sagde Huang. "Så der er en masse nye ting på vores liste, der venter på, at vi opdager."

Denne forskning diskuteres yderligere i papiret "Størrelseskontrollerede nanopartikler indlejret i en mesoporøs arkitektur, der fører til effektiv og selektiv hydrogenolyse af polyolefiner," offentliggjort i Journal of the American Chemical Society . + Udforsk yderligere

En første af sin slags katalysator efterligner naturlige processer til at nedbryde plast og producere værdifulde nye produkter