Een recent ontwikkelde katalysator voor het afbreken van kunststoffen blijft de upcyclingprocessen van kunststof bevorderen. In 2020 ontwikkelde een team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van Ames Laboratory de eerste processieve anorganische katalysator om polyolefineplastics te deconstrueren tot moleculen die kunnen worden gebruikt om waardevollere producten te maken. Nu heeft het team een ​​strategie ontwikkeld en gevalideerd om de transformatie te versnellen zonder de gewenste producten op te offeren.

De katalysator is oorspronkelijk ontworpen door Wenyu Huang, een wetenschapper bij Ames Lab. Het bestaat uit platinadeeltjes gedragen op een vaste silicakern en omgeven door een silicaomhulsel met uniforme poriën die toegang bieden tot katalytische plaatsen. De totale benodigde hoeveelheid platina is vrij klein, wat belangrijk is vanwege de hoge kosten en het beperkte aanbod van platina. Tijdens deconstructie-experimenten worden de lange polymeerketens in de poriën geregen en komen ze in contact met de katalytische plaatsen, waarna de ketens worden gebroken in kleinere stukjes die niet langer van plastic zijn (zie afbeelding voor meer details).

Aaron Sadow, een wetenschapper bij Ames Lab en directeur van het Institute for Cooperative Upcycling of Plastics (iCOUP), legde uit dat het team drie varianten van de katalysator heeft gemaakt. Elke variant had kernen en poreuze schillen van identieke grootte, maar verschillende diameters van platinadeeltjes, van 1,7 tot 2,9 tot 5,0 nm.

Het team veronderstelde dat de verschillen in platinadeeltjesgrootte de lengte van de productketens zouden beïnvloeden, dus grote platinadeeltjes zouden langere ketens maken en kleine zouden kortere ketens maken. De groep ontdekte echter dat de lengtes van de productketens voor alle drie de katalysatoren even groot waren.

"In de literatuur varieert de selectiviteit voor splitsingsreacties van koolstof-koolstofbindingen meestal met de grootte van de platina-nanodeeltjes. Door platina op de bodem van de poriën te plaatsen, zagen we iets heel unieks," zei Sadow.

In plaats daarvan was de snelheid waarmee de ketens in kleinere moleculen werden gebroken, verschillend voor de drie katalysatoren. De grotere platinadeeltjes reageerden langzamer met de lange polymeerketen, terwijl de kleinere sneller reageerden. Deze verhoogde snelheid kan het gevolg zijn van het hogere percentage rand- en hoekplatinaplaatsen op de oppervlakken van de kleinere nanodeeltjes. Deze plaatsen zijn actiever in het splitsen van de polymeerketen dan het platina dat zich in de vlakken van de deeltjes bevindt.

Volgens Sadow zijn de resultaten belangrijk omdat ze laten zien dat de activiteit onafhankelijk van de selectiviteit in deze reacties kan worden bijgestuurd. "Nu zijn we ervan overtuigd dat we een actievere katalysator kunnen maken die het polymeer nog sneller zou opeten, terwijl we structurele parameters van de katalysator gebruiken om specifieke productketenlengtes in te stellen", zei hij.

Huang legde uit dat dit type reactiviteit van grotere moleculen in poreuze katalysatoren in het algemeen niet op grote schaal wordt bestudeerd. Het onderzoek is dus belangrijk voor het begrijpen van de fundamentele wetenschap en hoe deze presteert voor het upcyclen van kunststoffen.

"We moeten het systeem echt beter begrijpen, want we leren nog steeds elke dag nieuwe dingen. We onderzoeken andere parameters die we kunnen afstemmen om de productiesnelheid verder te verhogen en de productdistributie te verschuiven", aldus Huang. "Er staan ​​dus veel nieuwe dingen op onze lijst te wachten om ontdekt te worden."

Dit onderzoek wordt verder besproken in het artikel "Size-Controlled Nanoparticles Embedded in a Mesoporous Architecture Leading to Efficient and Selective Hydrogenolysis of Polyolefins", gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society . + Verder verkennen

Een unieke katalysator bootst natuurlijke processen na om plastic af te breken en waardevolle nieuwe producten te produceren